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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024111978
(43)【公開日】2024-08-20
(54)【発明の名称】三次元スキャナ用プローブ及び三次元スキャナ
(51)【国際特許分類】
G01B 11/00 20060101AFI20240813BHJP
【ＦＩ】
G01B11/00 H
【審査請求】未請求
【請求項の数】13
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023016761
(22)【出願日】2023-02-07
(71)【出願人】
【識別番号】000129253
【氏名又は名称】株式会社キーエンス
(74)【代理人】
【識別番号】110001427
【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】宮木 悠二
(72)【発明者】
【氏名】池淵 正康
【テーマコード（参考）】
2F065
【Ｆターム（参考）】
2F065AA04
2F065AA12
2F065AA37
2F065AA53
2F065FF05
2F065FF06
2F065GG04
2F065HH05
2F065HH06
2F065JJ03
2F065JJ05
2F065JJ26
2F065QQ31
2F065SS13
(57)【要約】
【課題】コストや重量の問題を解決しつつ、複数のマーカの相対的な位置関係を周囲の環境によらず一定に保てるようにして測定精度を向上させる。
【解決手段】三次元スキャナ用のプローブ２は、スキャナ部６０の周りに配置される複数のマーカブロック２１～２４と、スキャナ部６０に対し、複数のマーカブロック２１～２４を支持する金属製の支持部とを備えている。複数のマーカブロック２１～２４の各々は、複数の方向に各々面した各自発光マーカを位置決め固定するとともに支持部よりも低い熱膨張率の材料で構成されたマーカホルダを有している。
【選択図】図２
【解決手段】三次元スキャナ用のプローブ２は、スキャナ部６０の周りに配置される複数のマーカブロック２１～２４と、スキャナ部６０に対し、複数のマーカブロック２１～２４を支持する金属製の支持部とを備えている。複数のマーカブロック２１～２４の各々は、複数の方向に各々面した各自発光マーカを位置決め固定するとともに支持部よりも低い熱膨張率の材料で構成されたマーカホルダを有している。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
撮像ユニットによって撮像される複数のマーカを有する三次元スキャナ用のプローブであって、
測定方向にパターン光を照射するスキャナ光源と、前記測定方向における前記スキャナ光源により照射したパターン光を撮像するスキャナ撮像部と、を有するスキャナ部と、
前記スキャナ部の周りに配置される複数のマーカブロックと、
前記スキャナ部に対し、前記マーカブロックを支持する金属製の支持部と、を備え、
前記複数のマーカブロックの各々は、複数の方向に各々面した各自発光マーカを位置決め固定するとともに前記支持部よりも低い熱膨張率の材料で構成されたマーカホルダを有する、三次元スキャナ用のプローブ。
測定方向にパターン光を照射するスキャナ光源と、前記測定方向における前記スキャナ光源により照射したパターン光を撮像するスキャナ撮像部と、を有するスキャナ部と、
前記スキャナ部の周りに配置される複数のマーカブロックと、
前記スキャナ部に対し、前記マーカブロックを支持する金属製の支持部と、を備え、
前記複数のマーカブロックの各々は、複数の方向に各々面した各自発光マーカを位置決め固定するとともに前記支持部よりも低い熱膨張率の材料で構成されたマーカホルダを有する、三次元スキャナ用のプローブ。
【請求項2】
請求項１に記載の三次元スキャナ用のプローブにおいて、
前記マーカホルダは多角形の柱状をなしており、一面は前記支持部に取り付けられる取付面をなし、取付面以外の各面には少なくとも１つのマーカが設けられる、三次元スキャナ用のプローブ。
前記マーカホルダは多角形の柱状をなしており、一面は前記支持部に取り付けられる取付面をなし、取付面以外の各面には少なくとも１つのマーカが設けられる、三次元スキャナ用のプローブ。
【請求項3】
請求項２に記載の三次元スキャナ用のプローブにおいて、
前記マーカホルダにおける軸方向一端面が前記取付面とされ、
前記多角形の柱状の軸方向他端面には、少なくとも１つのマーカが設けられる、三次元スキャナ用のプローブ。
前記マーカホルダにおける軸方向一端面が前記取付面とされ、
前記多角形の柱状の軸方向他端面には、少なくとも１つのマーカが設けられる、三次元スキャナ用のプローブ。
【請求項4】
請求項１に記載の三次元スキャナ用のプローブにおいて、
前記複数のマーカの各々の外形は、プレートと、当該プレート上に形成される遮光性のマスクにより規定される、三次元スキャナ用のプローブ。
前記複数のマーカの各々の外形は、プレートと、当該プレート上に形成される遮光性のマスクにより規定される、三次元スキャナ用のプローブ。
【請求項5】
請求項４に記載の三次元スキャナ用のプローブにおいて、
前記プレートの材料として、石英ガラスが用いられる、三次元スキャナ用のプローブ。
前記プレートの材料として、石英ガラスが用いられる、三次元スキャナ用のプローブ。
【請求項6】
請求項４に記載の三次元スキャナ用のプローブにおいて、
前記遮光性のマスクの材料として、クロムが用いられる、三次元スキャナ用のプローブ。
前記遮光性のマスクの材料として、クロムが用いられる、三次元スキャナ用のプローブ。
【請求項7】
請求項４に記載の三次元スキャナ用のプローブにおいて、
前記遮光性のマスクの膜厚は、前記プレートの厚みよりも小さい、三次元スキャナ用のプローブ。
前記遮光性のマスクの膜厚は、前記プレートの厚みよりも小さい、三次元スキャナ用のプローブ。
【請求項8】
請求項１に記載の三次元スキャナ用のプローブにおいて、
前記マーカには、マーカ光源と、当該マーカ光源から出射した光を拡散させる拡散板とが含まれる、三次元スキャナ用のプローブ。
前記マーカには、マーカ光源と、当該マーカ光源から出射した光を拡散させる拡散板とが含まれる、三次元スキャナ用のプローブ。
【請求項9】
請求項８に記載の三次元スキャナ用のプローブにおいて、
前記マーカの光軸方向に沿って見た時、前記拡散板は、前記マーカ光源が配置されている領域よりも大きく形成され、
前記拡散板の中央部の厚みが周辺部に比べて厚く設定されている、三次元スキャナ用のプローブ。
前記マーカの光軸方向に沿って見た時、前記拡散板は、前記マーカ光源が配置されている領域よりも大きく形成され、
前記拡散板の中央部の厚みが周辺部に比べて厚く設定されている、三次元スキャナ用のプローブ。
【請求項10】
請求項１に記載の三次元スキャナ用のプローブにおいて、
前記スキャナ光源及び前記スキャナ撮像部が取り付けられる光学ベースと、
前記光学ベース及び前記支持部を覆う外装部材と、をさらに備え、
前記外装部材には、把持部が前記光学ベースから前記測定方向と反対側へ離れた位置に設けられている、三次元スキャナ用のプローブ。
前記スキャナ光源及び前記スキャナ撮像部が取り付けられる光学ベースと、
前記光学ベース及び前記支持部を覆う外装部材と、をさらに備え、
前記外装部材には、把持部が前記光学ベースから前記測定方向と反対側へ離れた位置に設けられている、三次元スキャナ用のプローブ。
【請求項11】
請求項１０に記載の三次元スキャナ用のプローブにおいて、
前記外装部材は、前記スキャナ光源と前記スキャナ撮像部を覆うスキャナカバー部を有し、
前記把持部は、前記スキャナカバー部の内部に連通する中空状をなしており、
前記把持部の端部には、当該把持部の内部の空気を排出するための空気排出口が形成されている、三次元スキャナ用のプローブ。
前記外装部材は、前記スキャナ光源と前記スキャナ撮像部を覆うスキャナカバー部を有し、
前記把持部は、前記スキャナカバー部の内部に連通する中空状をなしており、
前記把持部の端部には、当該把持部の内部の空気を排出するための空気排出口が形成されている、三次元スキャナ用のプローブ。
【請求項12】
請求項１０に記載の三次元スキャナ用のプローブにおいて、
前記外装部材は、前記マーカホルダに対して非締結とされている、三次元スキャナ用のプローブ。
前記外装部材は、前記マーカホルダに対して非締結とされている、三次元スキャナ用のプローブ。
【請求項13】
複数のマーカを有するプローブと、前記複数のマーカを撮像する撮像ユニットと、測定対象物の三次元座標の取得が可能に構成された処理部と、を備えた三次元スキャナであって、
前記プローブは、
測定対象物に対してパターン光を照射するスキャナ光源と、前記スキャナ光源により照射されたパターン光を撮像し、輝線画像を生成するスキャナ撮像部と、を有するスキャナ部と、
複数の方向に面した自発光マーカの各々を位置決め固定するマーカホルダを有する複数のマーカブロックと、
前記マーカブロックを前記スキャナ部に対して支持するとともに、前記マーカホルダよりも熱膨張率が高い材料で構成された支持部と、を備え、
前記撮像ユニットは、
前記プローブに設けられた前記自発光マーカを撮像することにより、複数の自発光マーカを含むマーカ画像を生成し、
前記処理部は、
前記マーカブロックにおける各々の自発光マーカの配置情報を記憶する記憶部と、
前記スキャナ部の温度変化に起因する前記複数のマーカブロック間の位置ずれ情報を、前記記憶部に記憶された自発光マーカの配置情報に基づいて取得する取得部と、
前記スキャナ撮像部で生成された輝線画像と、前記撮像ユニットにより生成されたマーカ画像に含まれる複数のマーカの位置姿勢と、前記取得部により取得された位置ずれ情報と、に基づいて、測定対象物の三次元座標を算出する算出部と、を備えることを特徴とする、三次元スキャナ。
前記プローブは、
測定対象物に対してパターン光を照射するスキャナ光源と、前記スキャナ光源により照射されたパターン光を撮像し、輝線画像を生成するスキャナ撮像部と、を有するスキャナ部と、
複数の方向に面した自発光マーカの各々を位置決め固定するマーカホルダを有する複数のマーカブロックと、
前記マーカブロックを前記スキャナ部に対して支持するとともに、前記マーカホルダよりも熱膨張率が高い材料で構成された支持部と、を備え、
前記撮像ユニットは、
前記プローブに設けられた前記自発光マーカを撮像することにより、複数の自発光マーカを含むマーカ画像を生成し、
前記処理部は、
前記マーカブロックにおける各々の自発光マーカの配置情報を記憶する記憶部と、
前記スキャナ部の温度変化に起因する前記複数のマーカブロック間の位置ずれ情報を、前記記憶部に記憶された自発光マーカの配置情報に基づいて取得する取得部と、
前記スキャナ撮像部で生成された輝線画像と、前記撮像ユニットにより生成されたマーカ画像に含まれる複数のマーカの位置姿勢と、前記取得部により取得された位置ずれ情報と、に基づいて、測定対象物の三次元座標を算出する算出部と、を備えることを特徴とする、三次元スキャナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、三次元スキャナ及び三次元スキャナによる三次元測定時に使用される三次元スキャナ用プローブに関する。
【背景技術】
【0002】
例えば特許文献１には、測定位置を指定するためのプローブと、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を備えた光学式座標測定装置が開示されている。プローブには複数のマーカが互いに間隔をあけて設けられている。測定時には、プローブとは別体に構成された撮像部によってプローブのマーカを撮像して画像データを生成し、撮像部によって生成された画像データに基づいて、算出部が測定位置の座標を算出することができるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１５－１９０９２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、特許文献１のプローブでは、作業者が把持する側と反対に位置する前面にのみマーカが設けられているので、測定時にはプローブの前面を常に撮像部に向けておく必要があり、測定時におけるプローブの向きや姿勢に制約が生じる。
【0005】
特に、測定対象物が大きな部材であったり、撮像部から見て奥の方に測定箇所が存在していたりする場合には、プローブの前面を常に撮像部に向けておくことが困難になり、測定に支障を来す結果となり得る。
【0006】
そこで、マーカの数を増やすことが考えられるが、マーカの相対的な位置関係が経時的に変化してしまうと測定精度に悪影響を及ぼすことになるので、単純にマーカの数を増やすことはできない。例えば、特許文献１のように光学ベースを石英製とし、全てのマーカをその光学ベースに取り付ければ、周囲の温度や湿度の変化に殆ど影響を受けなくなり、測定精度を高めることができるが、特許文献１のものよりマーカの数を増やそうとすると、必然的に光学ベースが大型するので、そのような大型の光学ベースを石英製にするにはコスト、重量等で課題が生じる。
【0007】
本開示は、かかる点に鑑みたものであり、その目的とするところは、コストや重量の問題を解決しつつ、複数のマーカの相対的な位置関係を周囲の環境によらず一定に保てるようにして測定精度を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するために、本開示では、撮像ユニットによって撮像される複数のマーカを有する三次元スキャナ用のプローブを前提とすることができる。プローブは、測定方向にパターン光を照射するスキャナ光源と、前記測定方向における前記スキャナ光源により照射したパターン光を撮像するスキャナ撮像部と、を有するスキャナ部と、前記スキャナ部の周りに配置される複数のマーカブロックと、前記スキャナ部に対し、前記マーカブロックを支持する金属製の支持部と、を備えている。前記複数のマーカブロックの各々は、複数の方向に各々面した各自発光マーカを位置決め固定するとともに前記支持部よりも低い熱膨張率の材料で構成されたマーカホルダを有している。
【0009】
この構成によれば、複数のマーカブロックの各々に自発光マーカが設けられることになるので、マーカの数を増やすことができるだけでなく、マーカ間の距離も十分に確保することが可能になり、測定精度が向上する。複数のマーカブロックの各々が有するマーカホルダは、マーカブロックを支持する支持部よりも低い熱膨張率の材料で構成されているので、各マーカブロックの複数のマーカの位置関係が周囲の環境によらず一定に保たれ、よって、測定精度が向上する。つまり、マーカブロック間の位置関係のみ周囲の環境に応じて補正すれば高精度な測定が行える。
【0010】
また、前記マーカホルダは多角形の柱状、例えば四角形、五角形、六角形等の多角形断面を有する柱状をなしていてもよい。この場合、前記マーカホルダにおける多角形の柱状の一面が支持部に取り付けられる取付面であってもよく、取付面以外の各面には少なくとも１つのマーカが設けられていてもよい。これにより、各マーカブロックに設けられるマーカの数を増やすことができるとともに、各マーカブロックに設けられるマーカを全て異なる方向に向けることができるので、測定時にプローブの向きや姿勢が様々に変化しても、測定に必要な数のマーカが撮像ユニットに向くように配置され、撮像ユニットよって複数のマーカを撮像することが可能になる。また、前記多角形の軸方向一端面が前記取付面とされていてもよく、この場合、前記多角形の軸方向他端面には、少なくとも１つのマーカを設けることができる。
【0011】
また、前記マーカには、マーカ光源と、当該マーカ光源から出射した光を拡散させる拡散板とが含まれていてもよい。この場合、前記マーカの光軸方向に沿って見た時、前記拡散板は、前記マーカ光源が配置されている領域よりも大きく形成することができる。前記拡散板の中央部の厚みを周辺部に比べて厚く設定することで、拡散板の中央部で光が減衰されやすいようにして、マーカの光が均一化される。
【0012】
また、スキャナ光源及びスキャナ撮像部が取り付けられる光学ベース及び支持部を覆う外装部材をさらに備えていてもよい。この場合、前記外装部材には、把持部を前記光学ベースから前記測定方向と反対側へ離れた位置に設けることができる。これにより、把持部及び測定作業者の手が測定の邪魔にならないようにすることができるとともに、測定作業者の手の熱が光学ベースに伝達しにくくなり、熱膨張による測定精度の悪化を回避できる。
【0013】
前記外装部材は、前記スキャナ光源と前記スキャナ撮像部を覆うスキャナカバー部を有していてもよく、前記把持部は、前記スキャナカバー部の内部に連通する中空状をなし、前記把持部の端部には、当該把持部の内部の空気を排出するための空気排出口を形成することができる。これにより、スキャナ光源やスキャナ撮像部の排熱が把持部の端部から排出されるので、排熱がマーカ周辺に届き難くなり、高い測定精度を維持できる。
【0014】
また、前記外装部材は、前記マーカホルダに対して非締結とされていてもよい。非締結とは、外装部材をマーカホルダに対してネジやボルト等の締結部材で締結していないということである。これにより、外装部材からマーカホルダに対して力が作用しにくくなるので、複数のマーカの位置精度を高い状態で保つことができる。
【0015】
他の態様では、前記プローブと、前記複数のマーカを撮像する撮像ユニットと、測定対象物の三次元座標の取得が可能に構成された処理部と、を備えた三次元スキャナを構成することもできる。前記撮像ユニットは、前記プローブに設けられた前記自発光マーカを撮像することにより、複数の自発光マーカを含むマーカ画像を生成することができる。前記処理部は、前記マーカブロックにおける各々の自発光マーカの配置情報を記憶する記憶部と、前記スキャナ部の温度変化に起因する前記複数のマーカブロック間の位置ずれ情報を、前記記憶部に記憶された自発光マーカの配置情報に基づいて取得する取得部と、前記撮像部で生成された輝線画像と、前記撮像ユニットにより生成されたマーカ画像に含まれる複数のマーカの位置姿勢と、前記取得部により取得された位置ずれ情報と、に基づいて、測定対象物の三次元座標を算出する算出部と、を備えている。
【発明の効果】
【0016】
以上説明したように、複数のマーカブロックを金属製の支持部で支持し、複数のマーカブロックの各々が、複数の方向に各々面した各自発光マーカを位置決め固定するとともに支持部よりも低い熱膨張率の材料で構成されたマーカホルダを有しているので、コストや重量の問題を解決しつつ、複数のマーカの相対的な位置関係を周囲の環境によらず一定に保てるようにして測定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明の実施形態に係る三次元スキャナの構成を示す図である。
【図2】撮像ユニットと処理部のブロック図である。
【図3】プローブを下方から見た斜視図である。
【図4】プローブの右側面図である。
【図5】プローブの平面図である。
【図6】プローブの底面図である。
【図7】プローブの正面図である。
【図8】外装部材を取り外した状態を示すプローブの正面図である。
【図9】第１マーカブロックの斜視図である。
【図10】第１マーカブロックの平面図である。
【図11】第１マーカブロックの側面図である。
【図13】第１自発光マーカの側面図である。
【図16】プローブの回路構成を示すブロック図である。
【図17】三次元スキャナによる測定対象物の三次元形状の測定手順の一例を示すフローチャートである。
【図18】データマッチングの処理手順の一例を示すフローチャートである。
【図19】温度補正の処理手順の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【0019】
図１は、本発明の実施形態に係る三次元スキャナ１の構成を示す図である。三次元スキャナ１は、測定対象物Ｗの三次元形状及び三次元座標を、当該測定対象物Ｗに接触することなく測定する形状測定器であり、複数の自発光マーカを有するプローブ２と、プローブ２が有する複数の自発光マーカを撮像する撮像ユニット３と、撮像ユニット３により生成されたマーカ画像とプローブ２により生成された輝線画像とに基づいて測定対象物Ｗの三次元形状及び三次元座標を測定する処理部４とを備えている。プローブ２は、撮像ユニット３及び処理部４とは別体とされており、測定作業者はプローブ２を撮像ユニット３及び処理部４から離れた所にある測定対象物Ｗの近傍まで持って行き、輝線画像をプローブ２によって生成させることができる。
【0020】
（撮像ユニット３の構成）
撮像ユニット３は、プローブ２に設けられた複数の自発光マーカ（後述する）を撮像することにより、当該複数の自発光マーカを含むマーカ画像を生成するユニットである。図２に示すように、撮像ユニット３は、基台３０と、基台３０に支持された可動ステージ３１と、可動ステージ３１の上部に固定されたプローブ撮像用カメラ３２とを備えている。可動ステージ３１は、ステージ駆動部３１ａを備えている。ステージ駆動部３１ａは、モータ等のアクチュエータを内蔵しており、可動ステージ３１を鉛直軸周りに回動させるとともに、水平軸周りにも回動させるように構成されている。可動ステージ３１を鉛直軸周りに回動させることにより、プローブ撮像用カメラ３２が鉛直軸周りに回動し、また、可動ステージ３１を水平軸周りに回動させることにより、プローブ撮像用カメラ３２が水平軸周りに回動する。これにより、プローブ撮像用カメラ３２の視野（図１、図２に破線Ａで模式的に示す）を移動させて、プローブ２、即ちプローブ２が有する複数の自発光マーカがプローブ撮像用カメラ３２の視野内に入るように、自発光マーカをトラッキングすることができる。ステージ駆動部３１ａは、撮像ユニット３が有する本体制御部３３によって制御される。
撮像ユニット３は、プローブ２に設けられた複数の自発光マーカ（後述する）を撮像することにより、当該複数の自発光マーカを含むマーカ画像を生成するユニットである。図２に示すように、撮像ユニット３は、基台３０と、基台３０に支持された可動ステージ３１と、可動ステージ３１の上部に固定されたプローブ撮像用カメラ３２とを備えている。可動ステージ３１は、ステージ駆動部３１ａを備えている。ステージ駆動部３１ａは、モータ等のアクチュエータを内蔵しており、可動ステージ３１を鉛直軸周りに回動させるとともに、水平軸周りにも回動させるように構成されている。可動ステージ３１を鉛直軸周りに回動させることにより、プローブ撮像用カメラ３２が鉛直軸周りに回動し、また、可動ステージ３１を水平軸周りに回動させることにより、プローブ撮像用カメラ３２が水平軸周りに回動する。これにより、プローブ撮像用カメラ３２の視野（図１、図２に破線Ａで模式的に示す）を移動させて、プローブ２、即ちプローブ２が有する複数の自発光マーカがプローブ撮像用カメラ３２の視野内に入るように、自発光マーカをトラッキングすることができる。ステージ駆動部３１ａは、撮像ユニット３が有する本体制御部３３によって制御される。
【0021】
可動ステージ３１の下部には、複数の発光体３１ｂが二次元平面上に所定の間隔をあけて設けられており、発光体３１ｂは、点灯制御部３１ｃによって点灯した状態と消灯した状態とに切り替えられるようになっている。複数の発光体３１ｂは、プローブ撮像用カメラ３２及び可動ステージ３１の移動に伴って移動する。点灯制御部３１ｃは、本体制御部３３によって制御される。一方、基台３０には、点灯制御部３１ｃによって点灯した状態とされた発光体３１ｂを撮像する基準カメラ３４が設けられている。
【0022】
複数の発光体３１ｂにより、基準カメラ３４により撮像される参照マーカが構成される。複数の発光体３１ｂを含む参照部材の構成を具体的に説明すると、図示しないが、参照部材は、上から下に向けて順に配置された発光基板、拡散板、ガラス板を有し、これらは、その側方の周囲が拡散反射シートによって包囲されている。発光基板の下面には、全体に亘って数多くの発光体３１ｂが整列した状態で実装されている。各発光体３１ｂは、例えば赤外ＬＥＤ（発光ダイオード）で構成されている。発光体３１ｂとしては、赤外ＬＥＤの代わりに他の波長の光を発するＬＥＤが用いられてもよいし、フィラメント等の他の発光体が用いられてもよい。発光体３１ｂは点灯制御部３１ｃによって駆動される。拡散板は、例えば樹脂からなる板部材であり、複数の発光体３１ｂから発生される光を拡散させつつ下方へ透過する。拡散反射シートは、例えば樹脂からなる帯状のシート部材であり、複数の発光体３１ｂから参照部材の側方（外方）に向かう光を拡散させつつその内方に反射する。以上の構成により、拡散板から放出される光を面全体に均一化することができる。ガラス板は板ガラスであり、例えば石英ガラスまたはソーダガラスで構成される。ガラス板の上下の面のうち少なくとも下面は、高度に平滑化された面で構成され、この下面に複数の円形開口を有する薄膜マスクが設けられている。薄膜マスクは、例えばガラス板の下面にスパッタ法または蒸着法により形成されるクロムマスクである。この薄膜マスクの各円形開口によって参照マーカの円形輪郭が規定される。これにより、どの角度から参照マーカを撮像しても、規定の形状を歪みの無い画像を獲得することができる。面発光マーカである参照マーカの輪郭形状は任意であり、四角形、星形、楕円などであってもよい。
【0023】
上記の構成により、複数の発光体３１ｂから発生されて拡散板および拡散反射シートにより拡散されて面全体に均一に放出される。つまり面全体に均一に光を放出する面光源になる。そして、この面光源から放出された光は、薄膜マスクの各円形開口を通して参照部材の下方に放出される。これにより輪郭が明確な面発光の参照マーカとなる。複数の参照マーカは、参照部材の下面（平面）において、マトリクス状に等間隔に配列されている。
【0024】
撮像ユニット３には、カメラ画像処理部３５が設けられている。カメラ画像処理部３５は画像処理回路を有しており、プローブ撮像用カメラ３２を制御して所定のタイミングで撮像を実行させる。画像処理回路としては、例えばＧＰＵ（Graphics Processing Unit）や、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）とＤＳＰ（Digital Signal Processor）等を挙げることができる。
【0025】
カメラ画像処理部３５には、プローブ撮像用カメラ３２で撮像されたマーカ画像が入力されるとともに、基準カメラ３４によって撮像された発光体３１ｂの画像も入力される。
【0026】
カメラ画像処理部３５は、プローブ撮像用カメラ３２が撮像したマーカ画像を処理して自発光マーカの中心位置情報、例えば円形の自発光マーカの中心位置を生成する。具体的には、カメラ画像処理部３５は、マーカ画像に対して自発光マーカの中心を抽出する処理を行う。そして、抽出した結果に基づいて、自発光マーカの中心位置情報を生成する。さらに、カメラ画像処理部３５は、自発光マーカの中心を抽出する処理の結果、得られた自発光マーカの中心位置情報に基づいて、可動撮像部３Ａに対する自発光マーカの位置姿勢情報を生成する。
【0027】
自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７の中心位置情報は次の方法で生成される。まず、カメラ画像処理部３５は、プローブ２に記憶されている各自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７の配置情報を取得する。そして、カメラ画像処理部３５は、プローブ２から取得した自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７の配置情報とカメラ画像処理部３５により生成されたマーカ画像に含まれるマーカ間の相対的な三次元位置情報とに基づいて、撮像ユニット３に対するプローブ２の相対的な位置や姿勢を変化させたときに、各マーカが撮像ユニット３によりどのような位置に撮像されるのかを算出し、算出された各マーカ位置と画像１０２のマーカ位置とをマッチングさせる。そして、算出された各マーカ位置と画像１０２のマーカ位置との誤差が最も小さくなる撮像ユニット３に対するプローブ２の相対的な位置姿勢が算出され、自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７の中心位置情報として生成される。すなわち、カメラ画像処理部３５は、仮想的にプローブ２の位置姿勢を変化させることで、プローブ２から取得した自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７の配置情報を仮想的に変化させ、カメラ画像処理部３５により生成されたマーカ画像とマッチングする位置姿勢を算出し、自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７の中心位置情報を生成する。この位置姿勢情報の算出処理は、バンドル調整と言われるものであってもよい。ここで、 マッチングにはマーカ画像に含まれる自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７の一部を代表マーカとして選択的に使用してもよい。円形状の自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７は、プローブ２の位置姿勢によっては楕円形状になる。そこで、一例として、マーカ画像に含まれる自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７の長辺と短辺の長さの比率である扁平率を用い、扁平率が所定の値以下の場合には計算対象に含めず、扁平率が所定の値以上の自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７を代表マーカとしてもよい。また、マーカブロックの中で真円に近いものを代表マーカとして選択してもよい。このように計算対象となる自発光マーカを代表マーカに限定することで、計算速度を向上させるとともに、測定精度の低下を抑制できる。
【0028】
ここで算出される自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７の中心位置情報は、プローブ撮像用カメラ３２を基準としたものである。そこで、カメラ画像処理部３５は、基準カメラ３４を基準としたプローブ撮像用カメラ３２の位置姿勢情報と、プローブ撮像用カメラ３２を基準としたプローブ２の位置姿勢情報とに基づいて、基準カメラ３４を基準としたプローブ２の位置姿勢情報を算出することで、基準カメラ３４を基準とした自発光マーカの中心位置情報を生成する。
【0029】
撮像ユニット３は、本体制御部３３によって制御される無線通信部３６を備えている。無線通信部３６は、撮像ユニット３以外の機器と通信可能に構成された通信モジュール等である。本例では、無線通信部３６を介して撮像ユニット３がプローブ２と通信し、例えばプローブ撮像用カメラ３２で撮像された画像データ等の各種データや、各種信号等の送受信が可能になっている。
【0030】
撮像ユニット３は、本体制御部３３によって制御される通信部３７も備えている。通信部３７は、処理部４と通信可能に構成された通信モジュール等である。通信部３７を介して撮像ユニット３が処理部４と通信し、例えば画像データ等の各種データや、各種信号等の送受信が可能になっている。通信部３７による通信は、有線を用いた通信であってもよいし、無線通信であってもよい。
【0031】
撮像ユニット３は、測定指示に基づいて、同期実行のタイミングを規定するトリガ信号を生成するトリガ生成部３８を有している。トリガ生成部３８により生成されるトリガ信号により、撮像ユニット３のプローブ撮像用カメラ３２や基準カメラ３４、発光体３１ｂが同期して制御される。また、トリガ生成部３８により生成されたトリガ信号は、トリガ管理部３８ａに送信される。トリガ管理部３８ａは、トリガ信号の受信に応じて、トリガ信号を識別するための識別情報を生成する。トリガ管理部３８ａは、例えばリングバッファまたはカウンタを有し、リングバッファまたはカウンタにより、生成した識別情報を管理する。トリガ管理部３８ａは、トリガ信号の受信に応じてリングバッファまたはカウンタを参照し、次のバッファ領域に対応する情報やカウンタに保持されている値に所定の演算を行うことで得られた情報を、受信したトリガ信号に対応する識別情報として生成する。この識別情報は、トリガ生成部３８により生成されたトリガ信号を一意に識別するものであるため、トリガＩＤということもできる。例えば、測定作業者が所定の測定開始操作を行うと、撮像ユニット３の本体制御部３３が測定開始操作を受け付ける。本体制御部３３は、測定開始操作を受け付けると、トリガ生成部３８に、上記トリガ信号を生成させる。トリガは、例えば無線通信部３６またはコネクタＣＯＮに接続される通信ケーブルを介してプローブ２に送信される。
【0032】
本体制御部３３は、トリガ生成部３８によりトリガ信号が生成されたことに同期して、プローブ撮像用カメラ３２によるプローブ２の自発光マーカの撮像と、可動ステージ３１の発光体３１ｂの点灯と、基準カメラ３４による発光体３１ｂの撮像とを同期させて実行する。また、プローブ２の自発光マーカも当該トリガが生成されたことに同期して発光するように、無線通信部３６または通信ケーブルを介してトリガ信号をプローブ２に送信する。尚、可動ステージ３１の発光体３１ｂは常時点灯させていてもよく、従って、少なくとも、プローブ２の自発光マーカの発光と、プローブ撮像用カメラ３２による撮像と、基準カメラ３４による撮像とがトリガ信号に基づいて同期して実行されるように制御される。なお、プローブ２の自発光マーカの発光のタイミングをプローブ撮像用カメラ３２による撮像のタイミングよりも僅かに早めてもよく、この場合も、プローブ２の自発光マーカの発光と、プローブ撮像用カメラ３２による撮像とは同期しているものとする。
【0033】
通信部３７は、カメラ画像処理部３５が生成した自発光マーカの中心位置情報と、当該自発光マーカの中心位置情報に対応する識別情報と、を紐づけて送信する。ここで、自発光マーカの中心位置情報に対応する識別情報とは、自発光マーカの中心位置情報を生成するためにカメラ画像処理部３５により処理されたマーカ画像に対応する識別情報でもあり、当該マーカ画像を取得させるためのトリガ信号に対応する識別情報である。なお、「紐づける」とは、２以上の情報を関連付ける、または対応付けることであり、この場合、自発光マーカの中心位置情報と、この自発光マーカの中心位置情報を他の自発光マーカの中心位置情報と区別するための識別情報とが関連付けられている。よって、識別情報に基づいて、所望の自発光マーカの中心位置情報を特定することができる。なお、ここでは、トリガ生成部３８が生成したトリガ信号に基づき、トリガ管理部３８ａが識別情報を生成する場合を説明したが、この方法に限定されない。トリガ生成部３８がトリガ信号だけでなく、トリガ信号に対応する識別情報を生成してもよい。この場合、プローブ２には、トリガ信号だけでなく識別情報も重畳して送信されてもよく、プローブ２の処理を簡素化できるとともに、撮像ユニット３とプローブ２との間で識別情報の不一致が生じる虞を抑制できる。
【0034】
（処理部４の構成）
処理部４は、撮像ユニット３により生成されたマーカ画像を処理することで得られた複数のマーカの位置姿勢を撮像ユニット３から受信するとともに、プローブ２により生成された輝線画像を処理することで得られた輝線画像のエッジデータを受信し、受信したマーカの位置姿勢とエッジデータとに基づいて測定対象物Ｗの三次元形状を測定する部分である。
処理部４は、撮像ユニット３により生成されたマーカ画像を処理することで得られた複数のマーカの位置姿勢を撮像ユニット３から受信するとともに、プローブ２により生成された輝線画像を処理することで得られた輝線画像のエッジデータを受信し、受信したマーカの位置姿勢とエッジデータとに基づいて測定対象物Ｗの三次元形状を測定する部分である。
【0035】
三次元形状の測定手法は従来から周知の手法を用いることができる。以下、一例について説明する。撮像ユニット３の複数の発光体３１ｂは、プローブ撮像用カメラ３２が固定された可動ステージ３１に設けられているので、プローブ撮像用カメラ３２に対する複数の発光体３１ｂの位置関係は既知である。ステージ駆動部３１ａでプローブ撮像用カメラ３２を動かす際には、基準カメラ３４によってそれら発光体３１ｂが撮像できる範囲内でプローブ撮像用カメラ３２が動くようになっている。プローブ撮像用カメラ３２が撮像したプローブ２のマーカ画像に基づいてプローブ撮像用カメラ３２に対するプローブ２の位置姿勢を決定し、基準カメラ３４は同様にして複数の発光体３１ｂを撮像した画像に基づいて基準カメラ３４に対するプローブ撮像用カメラ３２の位置姿勢を決定し、これら二つの位置姿勢から、基準カメラ３４に対するプローブ２の位置姿勢を決定して測定点の座標を求めることで三次元座標測定、即ち三次元形状の測定が可能になる。
【0036】
図１では、処理部４が汎用のノート型パーソナルコンピュータで構成されている例を示しているが、デスクトップ型パーソナルコンピュータや、三次元スキャナ１に専用のコントローラ等で構成されていてもよく、いずれの場合であっても、三次元スキャナ１の機能を実現させるためのプログラムやアプリケーションをインストールすることで、処理部４として利用できる。処理部４は、撮像ユニット３と別体とされていてもよいし、撮像ユニット３と一体化されていてもよい。また、処理部４の一部が撮像ユニット３に組み込まれていてもよいし、撮像ユニット３の一部が処理部４に組み込まれていてもよい。
【0037】
図２に示すように、処理部４は、制御ユニット４０と、モニタ４１と、操作入力部４２とを備えている。モニタ４１は、各種画像やユーザインタフェース等の表示が可能に構成された液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等で構成されている。
【0038】
操作入力部４２は、ユーザが各種入力操作を行う部分である。操作入力部４２は、例えばキーボードやマウス等で構成されている。
【0039】
制御ユニット４０は、制御部４３と、表示制御部４４と、記憶部４５と、通信部４６とを備えている。表示制御部４４は、制御部４３から出力された信号に基づいてモニタ４１を制御する部分であり、モニタ４１に各種画像やユーザインタフェース等を表示させる。ユーザインタフェース上で行われたユーザによる操作は、操作入力部４２から出力される信号に基づいて制御部４３が取得する。
【0040】
記憶部４５は、ＲＯＭであってもよいし、ソリッドステートドライブやハードディスクドライブ等であってもよい。記憶部４５には、プローブ２が有するマーカブロックにおける各々の自発光マーカの配置情報が記憶されている。マーカブロック及び各々の自発光マーカの配置情報としては、マーカブロック間の距離、各マーカブロックに設けられている自発光マーカの相対的な位置関係を示す情報等である。
【0041】
制御部４３は、取得部４３ａと算出部４３ｂとを備えている。取得部４３ａと算出部４３ｂの動作は次の通りである。すなわち、取得部４３ａは、プローブ２が有するスキャナ部（後述する）の温度変化に起因する複数のマーカブロック間の位置ずれ情報を、記憶部４５に記憶された自発光マーカの配置情報に基づいて取得する部分である。例えば、環境温度を変化させていった時の部材の寸法変化を測定ないし算出しておき、環境温度と部材の寸法変化量との関係を所定の形式として保持しておくことができ、これをマーカブロック間の位置ずれ情報とすることができる。詳細は後述する温度補正処理で説明する。
【0042】
また、算出部４３ｂは、プローブ２で生成された輝線画像と、撮像ユニット３により生成されたマーカ画像に含まれる複数のマーカの位置姿勢と、取得部４３ａにより取得された位置ずれ情報と、に基づいて、測定対象物Ｗの三次元座標を算出する部分である。例えば、温度センサを設けてプローブ２を構成する部材近傍の温度を検出することで、上記位置ずれ情報に基づいて部材の寸法変化量を取得できる。取得した寸法変化量を、測定対象物Ｗの三次元座標の算出に加味することで、算出結果の精度を高めることができる。
【0043】
また、処理部４の通信部４６は、制御部４３によって制御される。通信部４６は、撮像ユニット３の通信部３７と通信可能に構成された通信モジュール等である。
【0044】
（プローブ２の構成）
プローブ２は、測定作業者が片手または両手で持って自由に移動させながら、測定対象物Ｗの形状測定が行えるように構成されており、手持型、可搬型の非接触プローブである。電源は外部から供給されるようになっていてもよいし、バッテリを内蔵し、そのバッテリから供給されるようになっていてもよい。本実施形態では、プローブ２の前後左右及び上下を図３～７に示すように定義する。すなわち、プローブ２を測定作業者が手で持った時に右に位置する側を右といい、左に位置する側を左という。プローブ２の前は、測定対象物Ｗと対向する側であり、プローブ２の後側は、測定対象物Ｗと対向する側と反対側である。プローブ２の上とは、後述する把持部１１２を決められたように自然な姿勢で把持した状態で上側となる側であり、プローブ２の下とは、把持部１１２を決められたように自然な姿勢で把持した状態で下側となる側である。ただし、上述したようにプローブ２を手で持って移動させながら測定対象物Ｗの三次元形状を測定できるので、プローブ２の向きは上下反転したり、上側が右や左に位置する姿勢となることもあり得るし、後側が上に位置したり、下に位置したりすることもある。
プローブ２は、測定作業者が片手または両手で持って自由に移動させながら、測定対象物Ｗの形状測定が行えるように構成されており、手持型、可搬型の非接触プローブである。電源は外部から供給されるようになっていてもよいし、バッテリを内蔵し、そのバッテリから供給されるようになっていてもよい。本実施形態では、プローブ２の前後左右及び上下を図３～７に示すように定義する。すなわち、プローブ２を測定作業者が手で持った時に右に位置する側を右といい、左に位置する側を左という。プローブ２の前は、測定対象物Ｗと対向する側であり、プローブ２の後側は、測定対象物Ｗと対向する側と反対側である。プローブ２の上とは、後述する把持部１１２を決められたように自然な姿勢で把持した状態で上側となる側であり、プローブ２の下とは、把持部１１２を決められたように自然な姿勢で把持した状態で下側となる側である。ただし、上述したようにプローブ２を手で持って移動させながら測定対象物Ｗの三次元形状を測定できるので、プローブ２の向きは上下反転したり、上側が右や左に位置する姿勢となることもあり得るし、後側が上に位置したり、下に位置したりすることもある。
【0045】
プローブ２は、プローブ本体２０と、第１マーカブロック２１と、第２マーカブロック２２と、第３マーカブロック２３と、第４マーカブロック２４とを備えている。詳細は後述するが、第１～第４マーカブロック２１～２４は、複数の方向に各々面した自発光マーカを有している。図７に示す正面視で、プローブ本体２０の上下方向の寸法の方は左右方向の寸法よりも長く設定されており、これにより、プローブ本体２０の長手方向は上下方向となり、短手方向は左右方向となる。尚、長手方向が左右方向であってもよいし、上下方向と左右方向の寸法が同一であってもよい。また、プローブ２の原点は、第１～第４マーカブロック２１～２４の位置関係に基づいて定められてもよい。すなわち、第１マーカブロック２１と第２マーカブロック２２を結ぶ直線Ｌ１（図４に示す）と、第３マーカブロック２３と第４マーカブロック２４を結ぶ直線Ｌ２（図６に示す）の各々を仮想的に規定する。これらの２直線Ｌ１、Ｌ２はねじれの関係にあり、交わらないため、一方の直線を他方の直線に投影することで仮想交点を規定する。このように規定された仮想交点から一方の直線に垂線を下ろし、当該垂線が一方の直線と交わる点と、仮想交点との中央の点を原点Ｐとして規定してもよい。このように、第１～第４マーカブロック２１～２４からの距離が等しくなる点を原点Ｐ（図４及び図６に示す）として規定してもよい。このように原点Ｐを規定することで、後述の三次元座標を計算する際の計算処理を低減できる。図４で示している原点Ｐは、本来、第３マーカブロック２３と第４マーカブロック２４との中間点に位置しているが、図４に示す都合上、第４マーカブロック２４の手前に位置するように示している。
【0046】
プローブ本体２０は、中央部から上へ延びる第１アーム部５１、中央部から下へ延びる第２アーム部５２、中央部から左へ延びる第３アーム部５３及び中央部から右へ延びる第４アーム部５４とを備えている。第１アーム部５１の長手方向（上下方向）に延びる中心線と、第２アーム部５２の長手方向（上下方向）に延びる中心線とは、同一直線Ｂ上に配置される。また、第３アーム部５３の長手方向（左右方向）に延びる中心線と、第４アーム部５４の長手方向に延びる中心線（左右方向）とは、同一直線Ｃ上に配置される。上下方向に延びる直線Ｂと左右方向に延びる直線Ｃとは正面視で互いに直交している。
【0047】
第１アーム部５１の先端部に第１マーカブロック２１が取り付けられ、また、第２アーム部５２の先端部に第２マーカブロック２２が取り付けられ、また、第３アーム部５３の先端部に第３マーカブロック２３が取り付けられ、また、第４アーム部５４の先端部に第４マーカブロック２４が取り付けられるようになっている。
【0048】
図８に示すように、プローブ本体２０は、スキャナ部６０と光学ベース６１とを有している。スキャナ部６０の周りに、第１～第４マーカブロック２１～２４が配置される。スキャナ部６０は、第１スキャナ光源６２、第２スキャナ光源６３、第１スキャナ撮像部６４、第２スキャナ撮像部６５及びテクスチャカメラ６６を有している。光学ベース６１は、例えばアルミニウム合金やマグネシウム合金等の軽合金製の部材であり、プローブ本体２０の左右方向中央部に配置されて上下方向に長い形状をなしている。光学ベース６１の中央部よりも上側部分は、第１アーム部５１を構成する部分であり、第１マーカブロック２１を支持する上側支持部６１ａとなっている。よって、上側支持部６１ａの上端部に第１マーカブロック２１が取り付けられている。光学ベース６１の中央部よりも下側部分は、第２アーム部５２を構成する部分であり、第２マーカブロック２２を支持する下側支持部６１ｂとなっている。よって、下側支持部６１ｂの下端部に第２マーカブロック２２が取り付けられている。
【0049】
光学ベース６１の上下方向中央部、即ち、上側支持部６１ａと下側支持部６１ｂとの間の部分には、２つの第１スキャナ光源６２が左右方向に間隔をあけて取り付けられている。２つの第１スキャナ光源６２は、測定方向（前方）に複数本の線状の光を照射するマルチライン光源であり、光の出射面が測定時における測定対象物Ｗに対向するように配置されている。第１スキャナ光源６２が照射する光をマルチライン光と呼ぶことができ、マルチライン光はパターン光に含まれる。
【0050】
光学ベース６１の上下方向中央部における第１スキャナ光源６２の上方には、第２スキャナ光源６３が取り付けられている。第２スキャナ光源６３は、測定方向（前方）に１本の線状の光を照射するシングルライン光源であり、光の出射面が測定時における測定対象物Ｗに対向するように配置されている。第２スキャナ光源６３が照射する光をシングルライン光と呼ぶことができ、シングルライン光もパターン光に含まれる。
【0051】
第１スキャナ光源６２から照射されるマルチライン光は、１つのレーザー光源により出射されたレーザー光がビームスプリッタにより複数本に分割されることによって生成される。そのため、第１スキャナ光源６２から照射されるマルチライン光の各々の光量は、レーザー光源により生成される光の光量と比較して相対的に低下する。一方、シングルライン光源である第２スキャナ光源６３から照射されるシングルライン光は、１つのレーザー光源により出射されたレーザー光が分割されることなく生成される。そのため、第２スキャナ光源６３から照射されるシングルライン光の光量は、レーザー光源により生成される光の光量からの低下が少ない。第１スキャナ光源６２から照射されるマルチライン光と、第２スキャナ光源６３から照射されるシングルライン光の光量とを比較すると、第２スキャナ光源６３から照射されるシングルライン光の光量の方が相対的に大きくなる。そのため、光の反射率が少ないような測定対象物Ｗからも測定データを取得でき、ワーク対応力を向上させることができる。
【0052】
第１スキャナ光源６２及び第２スキャナ光源６３は、レーザー光を照射するレーザー光源を有しているが、光源の種類は特に限定されるものではない。また、本例では、合計３つのスキャナ光源６２、６３が設けられているが、これに限らず、スキャナ光源は１つ以上設けられていればよい。また、パターン光の種類は特に限定されるものではなく、マルチライン光、シングルライン光以外のパターン光をスキャナ光源が照射してもよい。
【0053】
第１スキャナ撮像部６４及び第２スキャナ撮像部６５は、例えばＣＭＯＳセンサ等の受光素子、外部から入射した光を受光素子の受光面に結像させるための光学系等を有している。第１スキャナ撮像部６４は、スキャナ光源６２、６３から上方に離れた部位である光学ベース６１の上部に取り付けられている。第２スキャナ撮像部６５は、スキャナ光源６２、６３から下方に離れた部位である光学ベース６１の下部に取り付けられている。第１スキャナ撮像部６４及び第２スキャナ撮像部６５は、各光軸がスキャナ光源６２、６３によるパターン光の照射方向に向くように配置されており、これにより、測定方向におけるスキャナ光源６２、６３により照射したパターン光を撮像し、輝線画像を生成することが可能になる。
【0054】
第１スキャナ撮像部６４を光学ベース６１の上部に取り付け、第２スキャナ撮像部６５を光学ベース６１の下部に取り付けているので、第１スキャナ撮像部６４と第２スキャナ撮像部６５との距離を長く確保してステレオ測定法の精度を高めることができる。すなわち、第１スキャナ撮像部６４及び第２スキャナ撮像部６５の光軸間距離が既知であり、第１スキャナ光源６２または第２スキャナ光源６３から照射されたパターン光を、第１スキャナ撮像部６４及び第２スキャナ撮像部６５で同時に撮像して生成されたそれぞれの画像の対応点を求め、ステレオ測定法を利用することにより、対応点の三次元座標を求めることができる。ステレオ測定法は、第１スキャナ撮像部６４及び第２スキャナ撮像部６５を用いたパッシブステレオであってもよいし、１つのスキャナ撮像部を用いたアクティブステレオであってもよい。特に、測定対象物Ｗが鏡面反射するものであった場合や、深穴を測定する場合など、第１スキャナ撮像部６４及び第２スキャナ撮像部６５で生成された画像の一方に、パターン光含まれない場合がある。このような場合は、パターン光が撮影された画像に対応するスキャナ撮像部とスキャナ光源との位置関係に基づき、アクティブステレオ法により三次元座標を算出してもよい。
【0055】
テクスチャカメラ６６は、例えばカラー画像を取得可能なＣＭＯＳセンサ等の受光素子、外部から入射した光を受光素子の受光面に結像させるための光学系等を有している。テクスチャカメラ６６は、第１スキャナ撮像部６４と第２スキャナ撮像部６５との間において光学ベース６１に取り付けられている。テクスチャカメラ６６は、光軸が測定時の測定対象物Ｗに向くように配置されており、測定対象物Ｗを撮像してテクスチャ画像を生成する。
【0056】
プローブ本体２０は、第３マーカブロック２３をスキャナ部６０に対して支持する左側支持部６８と、第４マーカブロック２４をスキャナ部６０に対して支持する右側支持部６９とを備えている。左側支持部６８及び右側支持部６９は光学ベース６１と同様な軽合金製の部材である。本例では、左側支持部６８及び右側支持部６９が光学ベース６１と別体である場合について示しているが、これに限らず、左側支持部６８及び右側支持部６９と光学ベース６１とが一体成形されていてもよい。
【0057】
左側支持部６８は、光学ベース６１の上下方向中央部の左側面に対して締結部材等によって固定されており、図４～図５に破線で示すように、左方向へ向けて突出するとともに左端部に近づくほど前に位置するように延びている。左側支持部６８の左端部に第３マーカブロック２３が取り付けられている。また、右側支持部６９は、光学ベース６１の上下方向中央部の右側面に対して締結部材等によって固定されており、右方向へ向けて突出するとともに右端部に近づくほど前に位置するように延びている。右側支持部６９の右端部に第４マーカブロック２４が取り付けられている。
【0058】
上述した構成により、第１マーカブロック２１及び第２マーカブロック２２は上下方向に互いに間隔をあけて配置されるとともに、第１マーカブロック２１及び第２マーカブロック２２の間の中央部にスキャナ部６０が配置される。したがって、第１マーカブロック２１及び第２マーカブロック２２は、スキャナ部６０を中心に位置付けた状態で上下方向（第一の方向）に並ぶように配置される一対のマーカブロックを構成している。また、プローブ本体２０の上下方向は、当該プローブ本体２０の長手方向なので、第１マーカブロック２１と第２マーカブロック２２からなる一対のマーカブロックは、プローブ本体２０の長手方向両端部に設けられることになる。
【0059】
また、第３マーカブロック２３及び第４マーカブロック２４は左右方向に互いに間隔をあけて配置されるとともに、第３マーカブロック２３及び第４マーカブロック２４の間の中央部にスキャナ部６０が配置される。したがって、第３マーカブロック２３及び第４マーカブロック２４は、スキャナ部６０を中心に位置付けた状態で左右方向（第二の方向）に並ぶように配置される一対のマーカブロックを構成している。
【0060】
第一の方向と第二の方向とは、正面視で互いに直交する関係にあるので、第１マーカブロック２１と第２マーカブロック２２からなる一対のマーカブロックの並び方向と、第３マーカブロック２３と第４マーカブロック２４からなる一対のマーカブロックの並び方向とは、測定方向から見たときに直交することになる。
【0061】
第３マーカブロック２３及び第４マーカブロック２４はそれぞれ前方へ向けて延びている左側支持部６８及び右側支持部６９の先端部に取り付けられているので、スキャナ部６０から測定方向（前方）にオフセットした位置に、第３マーカブロック２３と第４マーカブロック２４からなる一対のマーカブロックが設けられることになる。「オフセット」とは、スキャナ部６０を基準とした時、当該スキャナ部６０よりも前方に位置付けられることである。
【0062】
また、図８に示すように、光学ベース６１、左側支持部６８、右側支持部６９には少なくとも１つの温度センサＳ１～Ｓ４が設けられていてもよい。後述するように、温度センサＳ１～Ｓ４を設けてプローブ２を構成する部材近傍の温度を検出することで、三次元座標の算出結果の精度を高めることができる。温度センサＳ１～Ｓ４は、光学ベース６１、左側支持部６８、右側支持部６９からプローブ２の外側に向けて配置される。光学ベース６１の内部はスキャナ撮像部６４、６５やスキャナ光源６２、６３により空間に限りがあるため、温度センサＳ１～Ｓ４はプローブ２の外側に向けて配置されてもよい。この場合、プローブ２の外側に向けて温度センサＳ１～Ｓ４を取り付ければよいため、容易に組立を行うこともできる。また、温度センサＳ１～Ｓ４は直線Ｂまたは直線Ｃに対して対称な配置ではなく、直線Ｂを直線Ｃ上に投影した直線Ｂ’と直線Ｃとの交点に対して対称な点対象な配置をしていてもよい。すなわち、第１の温度センサＳ１と第２の温度センサＳ２は、一方が直線Ｂに対して右側に配置され、他方が直線Ｂに対して左側に配置されてもよい。また、第３の温度センサＳ３と第４の温度センサＳ４は、一方が直線Ｃに対して上側に配置され、他方が直線Ｃに対して下側に配置されてもよい。複数の温度センサＳ１～Ｓ４を点対称に配置することにより、プローブ２の環境温度をより正確に測定できる。
【0063】
図５及び図６に示すように、第１マーカブロック２１、第２マーカブロック２２及び第３マーカブロック２３により仮想平面Ｄが規定される。仮想平面Ｄを規定する際、第１マーカブロック２１の重心２１Ａ（図５に示す）、第２マーカブロック２２の重心２２Ａ（図６に示す）及び第３マーカブロック２３の重心２３Ａ（図５及び図６に示す）を通る平面を仮想平面Ｄとすることができる。また、第１マーカブロック２１の中心、第２マーカブロック２２の中心及び第３マーカブロック２３の中心を通る平面を仮想平面Ｄとすることもできる。
【0064】
第４マーカブロック２４は、仮想平面Ｄから離間するように配置される。本例では、第４マーカブロック２４が、右端部に近づくほど前に位置するように延びている右側支持部６９によって支持されているので、仮想平面Ｄから前方に離間した位置に配置されることになる。例えば図５に示すように、第４マーカブロック２４の重心２４Ａを通り、仮想平面Ｄに対して垂直な仮想線Ｅを規定した時、仮想線Ｅ上の重心２４Ａと仮想平面Ｄとの距離を、第４マーカブロック２４の仮想平面Ｄからの離間距離とすることができる。この離間距離は、任意の距離に設定することができる。
【0065】
第１～第４マーカブロック２１～２４は同じ構造となっている。図９～図１２に示すように、第１マーカブロック２１は、複数の方向に面した第１～第７自発光マーカ７１～７７と、第１～第７自発光マーカ７１～７７の各々を位置決め固定するマーカホルダ７８とを有している。図３～図８では、マーカホルダ７８が樹脂製のカバー２９によって覆われている。
【0066】
マーカホルダ７８は、光学ベース６１、左側支持部６８及び右側支持部６９を構成する材料よりも熱膨張率が低い材料で構成されており、そのような材料としては、例えば石英、コージライトなどの低膨張セラミック、インバーなどの低膨張金属、炭素繊維強化プラスチップ（ＣＦＲＰ）等を挙げることができ、これらのうち、１種のみでマーカホルダ７８が構成されていてもよいし、任意の複数種を組み合わせてマーカホルダ７８が構成されていてもよい。言い替えると、光学ベース６１、左側支持部６８及び右側支持部６９は、マーカホルダ７８よりも熱膨張率が高い材料で構成されている。
【0067】
本例では、マーカホルダ７８が六角形断面を有する中空の柱状をなしているが、これに限らず、例えば三角形、四角形、五角形、または、七角形以上の多角形断面を有する柱状をなしていてもよい。また、マーカホルダ７８は円柱状であってもよい。以下、マーカホルダ７８が六角形、正六角形の柱状である場合について説明する。尚、工業製品であるため、厳密な正六角形の柱状に成形するのは困難であり、よって、マーカホルダ７８は正六角形の柱状に近似可能な形状になる。
【0068】
マーカホルダ７８が六角形の柱状である場合には、図９及び図１１に示すように、幾何的にマーカホルダ７８の軸線Ｈを規定することができ、この軸線Ｈは第１マーカブロック２１の軸線と言うこともできる。第１マーカブロック２１は、軸線Ｈが直線Ｂ（図７及び図８に示す）の延長線上に位置するように配置されている。
【0069】
図１１に示すように、マーカホルダ７８の軸方向一端面は、光学ベース６１の上側支持部６１ａに取り付けられる取付面７８ａとされている。この取付面７８ａから軸方向に取付用のボス７９が突出している。一方、マーカホルダ７８の取付面７８ａ以外の各面には少なくとも１つの自発光マーカが設けられており、マーカホルダ７８の軸方向他端面にも少なくとも１つの自発光マーカが設けられている。
【0070】
具体的に説明すると、図１０に示すように、マーカホルダ７８が正六角形の柱状をなしていることから、外周面には、６つの平面として第１面７８ｂ、第２面７８ｃ、第３面７８ｄ、第４面７８ｅ、第５面７８ｆ、第６面７８ｇが形成されることになる。第１～第６面７８ｂ～７８ｇの各々には、図１２に示すように第１～第６自発光マーカ７１～７６がそれぞれ配置されている。
【0071】
また、第１～第６自発光マーカ７１～７６はガラス、セラミックス、または、ガラスセラミックスで構成される透明なプレート７１Ａと、当該プレート７１Ａ上に形成される薄膜７１ｅとを有している。この薄膜７１ｅは、プレート７１Ａの一面に遮光性のマスクを印刷することで形成される。プレート７１Ａに薄膜７１ｅが形成されることにより、各自発光マーカ７１～７６の外形が形成される。プレート７１Ａは、高い透光性を有する。プレート７１Ａの材料として、例えば石英ガラスまたはソーダガラスが用いられる。特に、線膨張係数が小さくかつ吸湿性が低い石英ガラスが、プレート７１Ａの材料として用いられることが好ましい。マスクの材料として、ガラスに対する吸着性が高い（付着力が強い）金属材料が用いられ、例えばクロムが用いられる。これにより、ガラスからなる板状部材上に膜強度が高くかつ膜厚が小さいマスクを形成することができる。また、ガラスと吸着しやすい金属材料の薄膜上に、さらに他の金属薄膜を形成することにより、膜強度が高い積層膜からなるマスクを形成してもよい。また、エマルジョンインクまたは他の有機インク等を用いてマスクが形成されてもよい。薄膜７１ｅの厚みは、プレート７１Ａの厚みよりも小さい。薄膜７１ｅの厚みは、５μｍ以下であることが好ましく、２００ｎｍ以下であることがより好ましい。
【0072】
図１０に示すように、マーカホルダ７８の外周面のうち、第１面７８ｂから最も離れている面が第２面７８ｃであり、第１面７８ｂと第２面７８ｃとは互いに平行である。また、マーカホルダ７８の外周面のうち、第３面７８ｄから最も離れている面が第４面７８ｅであり、第３面７８ｄと第４面７８ｅとは互いに平行である。さらに、マーカホルダ７８の外周面のうち、第５面７８ｆから最も離れている面が第６面７８ｇであり、第５面７８ｆと第６面７８ｇとは互いに平行である。また、第３～第６面７８ｄ～７８ｇは、第１面７８ｂ及び第２面７８ｃと交差する位置関係にある。つまり、マーカホルダ７８には、第１面７８ｂ及び第２面７８ｃと交差する複数の側面として第３～第６面７８ｄ～７８ｇが形成されている。第１～第６面７８ｂ～７８ｇの向く方向が全て異なっているので、第１～第６自発光マーカ７１～７６の向く方向も全て異なることになる。また、第１～第６自発光マーカ７１～７６は、軸線Ｈ周りに等間隔に配置される。
【0073】
図９及び図１１に示すように、マーカホルダ７８の軸方向他端面７８ｈは、第１～第６面７８ｂ～７８ｇに対して直交する位置関係にある。マーカホルダ７８の他端面７８ｈには、第７自発光マーカ７７が配置されている。第７自発光マーカ７７の光軸は、他端面７８ｈに対して直交する位置関係となっており、従って、第１～第６自発光マーカ７１～７６の光軸と、第７自発光マーカ７７の光軸とは互いに直交することになる。第７自発光マーカ７７は、マーカホルダ７８の他端面７８ｈの中央部（軸線Ｈ上）に位置付けられている。
【0074】
第１～第７自発光マーカ７１～７７は全て同じ構造であり、以下、第１自発光マーカ７１の詳細について図１３及び図１４に基づいて説明する。第１自発光マーカ７１は、発光ダイオード（ＬＥＤ）７１ａと、基板７１ｂと、筒状部材７１ｃと、拡散板７１ｄとを備えている。発光ダイオード７１ａはマーカ光源であり、本例では複数の発光ダイオード７１ａが基板７１ｂに実装されている。複数の発光ダイオード７１ａは、基板７１ｂの面に沿った方向に互いに間隔をあけて配置されている。筒状部材７１ｃは、複数の発光ダイオード７１ａ及び発光ダイオード７１ａから出射した光を囲むように形成されている。筒状部材７１ｃの内面は、光を反射及び拡散させる拡散反射板で構成されている。
【0075】
拡散板７１ｄは、複数の発光ダイオード７１ａから出射した光を拡散させるための部材である。第１自発光マーカ７１の光軸方向に沿って見た時、拡散板７１ｄは、複数の発光ダイオード７１ａが配置されている領域よりも大きく形成されている。言い換えると、複数の発光ダイオード７１ａが配置されている領域を小さくして第１自発光マーカ７１の小型化及び軽量化を図りながら、マーカとして必要な面積の発光面が確保されるように、拡散板７１ｄの大きさが設定されている。
【0076】
ここで、第１自発光マーカ７１の発光面は全体が均一な明るさにするのが好ましい。しかし、上述したように拡散板７１ｄが、複数の発光ダイオード７１ａの配置領域よりも大きいと、発光面の周辺部が中央部に比べて暗くなるおそれがある。このことに対して、本例では、拡散板７１ｄの中央部の厚みが周辺部に比べて厚く設定されている。具体的には、拡散板７１ｄにおける発光ダイオード７１ａと対向する面が、その中央部に行くほど基板７１ｂに接近するようにドーム状に湾曲している。つまり、拡散板７１ｄの形状を中央部が厚く、周辺部が薄くなる形状とすることにより、中央部での光の減衰を大きくして、狭い照明範囲でも均一な輝度分布となるようにしている。特に、プローブ２の向きや姿勢が様々に変化するため、自発光マーカ７１～７７を正面から撮像できるとは限らない。自発光マーカ７１～７７を斜め方向から撮像した場合でも、自発光マーカ７１～７７を正面方向から撮像した場合と同等の明るさにできるよう、拡散板７１ｄの中央部の厚みが周辺部に比べて厚く設定されている。このような構成により、プローブ２の向きや姿勢によらず、自発光マーカ７１～７７を撮像したマーカ画像からより正確に自発光マーカの中心位置情報を抽出することができる。
【0077】
第２～第４マーカブロック２２～２４も第１マーカブロック２１と同様に構成されている。すなわち、図３～図８に示すように、第２マーカブロック２２は、第１～第７自発光マーカ８１～８７を有しており、また、第３マーカブロック２３は、第１～第７自発光マーカ９１～９７を有しており、また、第４マーカブロック２４は、第１～第７自発光マーカ１０１～１０７を有している。
【0078】
図７に示すように、第１マーカブロック２１の第１自発光マーカ７１と、第２マーカブロック２２の第１自発光マーカ８１とは、直線Ｂ周りに位置ずれるように配置されており、第１マーカブロック２１の第１自発光マーカ７１の光軸と、第２マーカブロック２２の第１自発光マーカ８１の光軸とは、異なる方向に向いている。これは、第２マーカブロック２２に形成される複数の側面が、第１マーカブロック２１に形成される複数の側面に対して、第一の方向（上下方向）に延びる軸周りの位置がずれるように配置されていることによる。同様に、第４マーカブロック２４に形成される複数の側面が、第３マーカブロック２３に形成される複数の側面に対して、第二の方向（左右方向）に延びる軸周りの位置がずれるように配置されている。これにより、後述するマーカ画像の処理時に複数の解が出にくくしている。
【0079】
図１２に示すように、マーカブロック２１～２４には、各々１本のフレキシブルケーブルＣＡが配線されている。このフレキシブルケーブルＣＡにより、各自発光マーカ７１～７７に電源が供給される。具体的には、光学ベース６１から各々のマーカブロック２１～２４に１本のフレキシブルケーブルＣＡが延びる。このフレキシブルケーブルＣＡは、マーカブロック７１の内部で取付用のボス７９を中心とした円状に配線される。円状に配線されたフレキシブルケーブルＣＡは、各々の自発光マーカ７１～７７に電源を供給するため、７本のサブフレキシブルケーブルＣＡ１～ＣＡ６（図１２で６本のみ示す）に分岐している。そして、各々のサブフレキシブルケーブルＣＡ１～ＣＡ６は、各自発光マーカ７１～７７の基板背面に設けられた電源コネクタ７１Ｃ～７６Ｃ（自発光マーカ７７のものは示さず）を介して自発光マーカ７１～７７に接続される。なお、図示は省略するが、マーカホルダ７８の他端面７８ｈに配置されている第７自発光マーカ７７にも同様に、円状に配線されたフレキシブルケーブルＣＡから分岐したサブフレキシブルケーブルが電源コネクタを介して接続される。このように、１本のフレキシブルケーブルＣＡにより、７つの自発光マーカ７１～７７に電源を供給することで、省配線を実現するとともに、マーカブロック２１～２４やプローブ２の小型化、軽量化に資することができる。さらに、省配線化により、配線からマーカブロック２１～２４に生じる応力を抑制できるため、各々の自発光マーカ７１～７７に生じる経時変化も抑制できる。
【0080】
プローブ本体２０は、光学ベース６１や左側支持部６８、右側支持部６９を覆う樹脂製の外装部材１１０を備えている。外装部材１１０の前側部分は、第１スキャナ光源６２、第２スキャナ光源６３、第１スキャナ撮像部６４及び第２スキャナ撮像部６５を覆うスキャナカバー部１１１を有している。また、外装部材１１０の後側部分は、測定作業者が把持する把持部１１２を有している。
【0081】
例えば図１５に示すように、把持部１１２は、上下方向に長い形状をなしており、その上端部が外装部材１１０の本体部分と一体化しており、光学ベース６１から測定方向と反対側（後側）へ離れた位置に設けられている。把持部１１２の下端部は、第２マーカブロック２２よりも下へ突出するように配置されている。また、把持部１１２の下端部と第２マーカブロック２２とは前後方向に離れている。把持部１１２の長手方向は、直線Ｂに対して後方に傾斜しており、把持部１１２の下へ行くほど直線Ｂから離れるように当該把持部１１２が設けられている。言い換えると、把持部１１２よりも前方に第１～第４マーカブロック２１～２４が位置付けられているので、撮像ユニット３による撮像時に測定作業者の手や把持部１１２が自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７と被りにくくなる。
【0082】
図５及び図１５に示すように、把持部１１２の上端部には、スキャナ部６０による測定結果を表示するための表示部１１３と、スキャナ部６０を操作するための操作部１１４とが設けられている。表示部１１３は、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等で構成されており、表示面が直線Ｂに対して傾斜するように配置されている。また、表示面は、測定対象者側に向いており、表示部１１３の表示内容を見ながらプローブ２を動かすことができるようになっている。
【0083】
表示部１１３の表示面側には、タッチ操作可能なタッチパネル１１３ａも設けられている。操作部１１４は、例えば測定開始ボタン、測定停止ボタン等を含む複数の操作ボタン等で構成されており、表示部１１３の下方に配置されている。タッチパネル１１３ａも操作部の一部とすることができる。
【0084】
図３や図４等に示すように、外装部材１１０における第１～第４アーム部５１～５４に対応する部分には、複数のアーム側通気口１１０ａが形成されている。また、図５に示すように、外装部材１１０における表示部１１３を覆う部分には、複数の表示部側通気口１１０ｂが形成されている。
【0085】
図１５に示すように、把持部１１２は、スキャナカバー部１１１の内部に連通する中空状をなしている。図３及び図６にも示すように、把持部１１２の下端部には、把持部１１２の内部の空気を排出するための空気排出口１１２ａが形成されている。空気排出口１１２ａは、第２マーカブロック２２から離れる方向に向いて開口している。さらに、本例では、把持部１１２の内部に送風ファン１１２ｂが設けられている。この送風ファン１１２ｂは、把持部１１２の内部の空気を空気排出口１１２ａから強制的に排出するため部材である。送風ファン１１２ｂを動作させると、外装部材１１０のアーム側通気口１１０ａ及び表示部側通気口１１０ｂ等から当該外装部材１１０の内部に吸い込まれた空気がスキャナ部６０や表示部１１３等を冷却しながら把持部１１２の内部に達し、空気排出口１１２ａから排出される。よって、プローブ本体２０の内部を強制空冷することができる。プローブ本体２０の内部には、スキャナ光源６２、６３やスキャナ撮像部６４、６５、表示部１１３といった熱を発生させる部材が存在する。プローブ本体２０の内部に熱が発生することにより、複数の部品間の相対位置が変動し、測定精度が低下してしまう虞がある。プローブ本体２０の内部を中空に形成するとともに、プローブ本体２０の内部の熱を送風ファン１１２ｂから排出することで、測定精度の低下を抑制することができる。さらに、空気排出口１１２ａから排出された空気は、第２マーカブロック２２から離れる方向に向けて流れるので、測定時における第２マーカブロック２２近傍の空気の揺らぎを抑制できる。
【0086】
図１５に示すように、外装部材１１０の後側部分の上下方向中央部は、光学ベース６１の上下方向中央部に対して２点の締結部材１１５によって締結固定されている。２点の締結部材１１５は互いに接近しており、実質的に１点の締結箇所とみなすことが可能である。すなわち、実質的に１点の締結箇所とみなすことが可能である隣り合った２点の締結部材１１５により、外装部材１１０の後側部分の上下方向中央部が、光学ベース６１の上下方向中央部に対して締結固定されている。外装部材１１０の光学ベース６１に対する締結は、締結部材１１５のみである。これにより、外装部材１１０と光学ベース６１との熱膨張の相違による各部のひずみを抑制できる。尚、外装部材１１０は１点の締結部材１１５によって光学ベース６１に締結固定されていてもよい。
【0087】
また、外装部材１１０は、第１～第４マーカブロック２１～２４の各マーカホルダ７８に対して非締結とされている。非締結とは、外装部材１１０を各マーカホルダ７８に対してネジやボルト等の締結部材で締結していないということである。これにより、外装部材１１０から各マーカホルダ７８に対して力が作用しにくくなるので、複数の自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７の位置精度を高い状態で保つことができる。
【0088】
さらに、外装部材１１０と光学ベース６１との間には空間が形成されている。外装部材１１０と光学ベース６１との間に形成される空間により、プローブ本体２０の内部に生じる熱が送風ファン１１２ｂに向かう流路を確保するとともに、スキャナ撮像部やスキャナ光源部などの電気部品を接続する各種のケーブルを配線する領域を確保することができる。
【0089】
（プローブ２の回路）
次にプローブ２の回路について図１６に基づいて説明する。プローブ２は、表示制御部１４０と、マーカ点灯制御部１４１と、プローブ制御部１４２と、記憶部１４３とを備えている。表示制御部１４０は、プローブ制御部１４２から出力された信号に基づいて表示部１１３を制御する部分であり、表示部１１３に各種画像やユーザインタフェース等を表示させる。表示部１１３上で行われたユーザによる操作は、タッチパネル１１３ａから出力される信号に基づいてプローブ制御部１４２が取得する。
次にプローブ２の回路について図１６に基づいて説明する。プローブ２は、表示制御部１４０と、マーカ点灯制御部１４１と、プローブ制御部１４２と、記憶部１４３とを備えている。表示制御部１４０は、プローブ制御部１４２から出力された信号に基づいて表示部１１３を制御する部分であり、表示部１１３に各種画像やユーザインタフェース等を表示させる。表示部１１３上で行われたユーザによる操作は、タッチパネル１１３ａから出力される信号に基づいてプローブ制御部１４２が取得する。
【0090】
また、撮像ユニット３のトリガ生成部３８により生成されたトリガ信号は無線通信部１４４またはコネクタＣＯＮに接続される通信ケーブルを介して通信制御部１４９により受信される。そして、プローブ２は通信制御部１４９によりトリガ信号を受信すると、トリガ信号をプローブ２のトリガ管理部１５０に送信する。プローブ２のトリガ管理部１５０は、トリガ信号の受信に応じて、トリガ信号に対応する識別情報を生成する。識別情報の生成は、撮像ユニット３のトリガ管理部３８ａと同様の処理であるため、ここでは説明を省略する。
【0091】
トリガ信号の受信に応じて、スキャナ画像処理部１４７により第１スキャナ撮像部６４及び第２スキャナ撮像部６５が制御され、撮像が実行される。これにより、第１スキャナ撮像部６４及び第２スキャナ撮像部６５による撮像と、プローブ撮像用カメラ３２によるプローブ２の自発光マーカの撮像と、可動ステージ３１の発光体３１ｂの点灯と、基準カメラ３４による発光体３１ｂの撮像とがトリガ信号に応じて同期して実行される。
【0092】
マーカ点灯制御部１４１は、自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７（図１６では７１のみ示している）を制御する部分である。プローブ２が通信制御部１４９によりトリガ信号を受信すると、マーカ点灯制御部１４１が自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７を制御して自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７を点灯した状態にしてもよい。マーカ点灯制御部１４１は、プローブ制御部１４２によって制御される。記憶部１４３には、プログラムやスキャナ部６０で撮像された画像等が一時的に記憶可能になっている。
【0093】
プローブ２は、プローブ制御部１４２によって制御される無線通信部１４４を備えている。無線通信部１４４は、プローブ２以外の機器と通信可能に構成された通信モジュール等である。本例では、無線通信部１４４を介してプローブ２が撮像ユニット３と通信し、例えばスキャナ部６０で撮像された画像データ等の各種データや、各種信号等の送受信が可能になっている。なお、プローブ２と撮像ユニット３とは、コネクタＣＯＮを介して通信ケーブルで接続されていてもよく、当該ケーブルを介してスキャナ部６０で撮像された画像データ等の各種データや、各種信号等の送受信がされてもよい。プローブ２と撮像ユニット３とを無線で接続することにより、ケーブルなどの制約を受けることがなくなるため、プローブ２の可搬性を高めるとともに、測定領域を拡張することができる。また、プローブ２と撮像ユニット３とを無線で接続することにより、高速化・大容量な通信が可能になるとともに、バッテリのような電力源を収容する必要がなく軽量化が可能となる。
【0094】
プローブ２は、モーションセンサ１４５を備えている。モーションセンサ１４５はプローブ２の加速度、角速度を検知するセンサで構成されており、検出した値はプローブ制御部１４２に出力されて各種演算処理に使用される。例えば、モーションセンサ１４５から出力される値を使用して、プローブ２の姿勢、即ち第１～第４マーカブロック２１～２４の姿勢の初期解を求めてマッチング精度を向上させるとともに、姿勢計算時の処理速度を向上させることができる。モーションセンサ１４５から出力される値を使用した処理は、撮像ユニット３や処理部４で実行されてもよい。
【0095】
プローブ２は、スキャナ光源制御部１４６と、スキャナ画像処理部１４７を備えている。スキャナ光源制御部１４６は、第１スキャナ光源６２及び第２スキャナ光源６３を制御する部分である。プローブ２が通信制御部１４９によりトリガ信号を受信すると、スキャナ光源制御部１４６は、第１スキャナ光源６２及び第２スキャナ光源６３を制御して第１スキャナ光源６２及び第２スキャナ光源６３を点灯した状態にしてもよい。第１スキャナ光源６２及び第２スキャナ光源６３は、スキャナ光源制御部１４６によって点灯した状態と消灯した状態とに切り替えられるようになっている。スキャナ光源制御部１４６は、プローブ制御部１４２によって制御される。また、スキャナ画像処理部１４７は、第１スキャナ撮像部６４、第２スキャナ撮像部６５及びテクスチャカメラ６６を制御して所定のタイミングで撮像を実行させる。プローブ２が通信制御部１４９によりトリガ信号を受信すると、スキャナ画像処理部１４７は、第１スキャナ撮像部６４、第２スキャナ撮像部６５及びテクスチャカメラ６６を制御して所定のタイミングで撮像を実行させてもよい。また、プローブ２は通信制御部１４９によりテクスチャ取得用のトリガ信号を受信すると、スキャナ画像処理部１４７はテクスチャカメラ６６を制御して撮像を実行させてもよい。ここで、トリガ信号は、三次元形状測定用のトリガ信号とテクスチャ取得用のトリガ信号とを区別してもよく、一部または全部を共用してもよい。すなわち、スキャナ画像処理部１４７は、三次元形状測定用のトリガ信号を受信したことに応じて第１スキャナ撮像部６４および第２スキャナ撮像部６５を同期して制御し、テクスチャ取得用のトリガ信号を受信したことに応じてテクスチャカメラ６６を制御して撮像を実行させてもよい。
【0096】
スキャナ画像処理部１４７には、第１スキャナ撮像部６４、第２スキャナ撮像部６５及びテクスチャカメラ６６で撮像された画像が入力される。スキャナ画像処理部１４７では、入力された画像に対してエッジデータの抽出等、各種画像処理を実行する。
【0097】
このような構成により、第１スキャナ光源６２及び第２スキャナ光源６３の点灯と、第１スキャナ撮像部６４及び第２スキャナ撮像部６５による撮像と、自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７の点灯と、プローブ撮像用カメラ３２によるプローブ２の自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７の撮像と、可動ステージ３１の発光体３１ｂの点灯と、基準カメラ３４による発光体３１ｂの撮像とがトリガ信号を介して同期して実行されてもよい。
【0098】
プローブ２は、表示灯１４８及び通信制御部１４９を備えている。表示灯１４８は、プローブ２の動作状態を表示するものであり、プローブ制御部１４２によって制御される。通信制御部１４９は、例えば画像データ等の通信の実行処理を行う部分である。
【0099】
（三次元スキャナ１による測定）
次に、上述のように構成された三次元スキャナ１による測定対象物Ｗの三次元形状の測定手順について図１７に示すフローチャートに基づいて説明する。測定作業者は、プローブ２の把持部１１２を持ってスキャナ部６０を測定対象物Ｗに向けてから、操作部１１４に含まれている測定開始ボタンを操作する。すると、ステップＳＡ１で撮像ユニット３のトリガ生成部３８がトリガ信号を発行する。また、トリガ生成部３８によるトリガ信号の生成に応じて、トリガ管理部３８ａが当該トリガ信号に対応する識別情報を生成する。この識別情報は、トリガ信号が発行されたタイミングを識別するためのＩＤの役割をトリガ信号に対して果たす。
次に、上述のように構成された三次元スキャナ１による測定対象物Ｗの三次元形状の測定手順について図１７に示すフローチャートに基づいて説明する。測定作業者は、プローブ２の把持部１１２を持ってスキャナ部６０を測定対象物Ｗに向けてから、操作部１１４に含まれている測定開始ボタンを操作する。すると、ステップＳＡ１で撮像ユニット３のトリガ生成部３８がトリガ信号を発行する。また、トリガ生成部３８によるトリガ信号の生成に応じて、トリガ管理部３８ａが当該トリガ信号に対応する識別情報を生成する。この識別情報は、トリガ信号が発行されたタイミングを識別するためのＩＤの役割をトリガ信号に対して果たす。
【0100】
撮像ユニット３が発行したトリガ信号は、撮像ユニット３の無線通信部３６またはコネクタＣＯＮに接続される通信ケーブルを介してプローブ２に送信される。そして、プローブ２の無線通信部１４４または通信ケーブルを介して通信制御部１４９によりトリガ信号が受信される。プローブ２は通信制御部１４９によりトリガ信号を受信すると、プローブ２のトリガ管理部１５０により、トリガ信号に対応する識別情報を生成する。ステップＳＡ２において、プローブ２のプローブ制御部１４２はマーカ点灯制御部１４１に発光指示を出力し、マーカ点灯制御部１４１が自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７を発光させる。ステップＳＡ３では、プローブ２のプローブ制御部１４２がスキャナ光源制御部１４６に発光指示を出力し、スキャナ光源制御部１４６が第１スキャナ光源６２または第２スキャナ光源６３を発光させる。第１スキャナ光源６２及び第２スキャナ光源６３のいずれを発光させるかは、事前の設定時に予め決められている。
【0101】
また、ステップＳＡ４では、ステップＳＡ３と同時に、プローブ２のプローブ制御部１４２がスキャナ画像処理部１４７に撮像指示を出力し、スキャナ画像処理部１４７が第１スキャナ撮像部６４及び第２スキャナ撮像部６５に撮像を実行させる。ステップＳＡ５では、第１スキャナ撮像部６４及び第２スキャナ撮像部６５の撮像により、輝線画像を取得する。輝度画像にはトリガＩＤが付与される。ステップＳＡ６では、輝線画像をスキャナ画像処理部１４７に入力し、スキャナ画像処理部１４７が輝線画像からエッジデータを抽出する。エッジデータには識別情報であるトリガＩＤが付与されており、トリガＩＤが付与されたエッジデータは、プローブ２の無線通信部１４４を介して撮像ユニット３の無線通信部３６で受信される。
【0102】
上記のような構成により、第１スキャナ光源６２及び第２スキャナ光源６３の点灯と、第１スキャナ撮像部６４及び第２スキャナ撮像部６５による撮像と、自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７の点灯と、プローブ撮像用カメラ３２によるプローブ２の自発光マーカの撮像と、可動ステージ３１の発光体３１ｂの点灯と、基準カメラ３４による発光体３１ｂの撮像とがトリガ信号を介して同期して実行される。
【0103】
一方、撮像ユニット３では、ステップＳＡ１でトリガ信号を発行した後、ステップＳＡ７に進んで本体制御部３３がカメラ画像処理部３５に撮像指示を出力し、カメラ画像処理部３５がプローブ撮像用カメラ３２に撮像を実行させる。このとき、第１マーカブロック２１と第２マーカブロック２２が上下方向に間隔をあけて並び、第３マーカブロック２３と第４マーカブロック２４が左右方向に間隔をあけて並び、かつ、第４マーカブロック２４が第１マーカブロック２１、第２マーカブロック２２および第３マーカブロック２３により規定される仮想平面Ｄから離間していて、第１～第４マーカブロック２１～２４の各々が、複数の方向に向けて発光する自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７を有しているので、プローブ２の向きや姿勢が様々に変化しても、測定に必要な数のマーカが撮像ユニット３のプローブ撮像用カメラ３２に向くように配置される。したがって、ステップＳＡ８では、プローブ撮像用カメラ３２が、複数の自発光マーカを含むマーカ画像を取得することができる。また、プローブ撮像用カメラ３２の撮像と、自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７の発光とがトリガ信号に同期して実行されるため、自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７の発光時間を短くすることができる。これにより自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７の発光によりプローブ本体２０の内部に発生する熱を抑制できる。なお、マーカ画像にはトリガＩＤが付与される。
【0104】
ここで、測定に必要な数のマーカについて説明する。プローブ２の向きや姿勢が変化したとしても、プローブ２の第１の方向に離間し、かつ、プローブ２の第２の方向にも離間したマーカがプローブ撮像用カメラ３２により撮影されるようにプローブ２が配置されていてもよい。なお、第１の方向とは、上下方向、左右方向、前後方向のいずれかであり、第２の方向とは、第１の方向とは交差する方向であればよい。例えば、図４に示す例では、第１のマーカブロック２１と第２のマーカブロック２２とで規定される軸から、第４のマーカブロック２４がオフセットする様に配置されている。そのため、図４に示すように、プローブ２が右側から撮像され、左側に存在するマーカユニット２３がマーカユニット２４に隠れていたとしても、第１の方向および第２の方向の双方に離間した複数のマーカを撮像できる。このように、第１の方向および第２の方向の双方に離間した複数のマーカを撮像することで、上下、左右、前後（奥行）方向の各々において、測定精度を高めることができる。
【0105】
ステップＳＡ９では、撮像ユニット３のカメラ画像処理部３５にマーカ画像を入力し、カメラ画像処理部３５がマーカ画像座標を抽出し、また、ステップＳＡ１０では、マーカ外部パラメータを算出する。マーカ外部パラメータは、６軸のパラメータである。なお、ステップＳＡ９で抽出されるマーカ外部座標およびステップＳＡ１０で算出されるマーカ外部パラメータには、識別情報であるトリガＩＤが付与されている。そして、ステップＳＡ１０では、プローブ２から送信されたエッジデータと、マーカ画像座標とのデータマッチングをトリガＩＤに基づいて実行する。データマッチングの詳細については後述する。
【0106】
ステップＳＡ１２では、ステップＳＡ１１で得られたデータを、通信部３７を介して処理部４の通信部４６に送信する。ステップＳＡ１３では、処理部４の制御部４３が、撮像ユニット３から送信されたデータを処理する。ステップＳＡ１４では、制御部４３が三次元点群化を実行する。これにより、測定対象物Ｗの三次元形状が得られる。
【0107】
本例では、スキャナ部６０を挟むように第１マーカブロック２１と第２マーカブロック２２とが配置されるので、第１マーカブロック２１と第２マーカブロック２２の距離が十分に確保される。同様に、スキャナ部６０を挟むように第３マーカブロック２３と第４マーカブロック２４とが配置されるので、第３マーカブロック２３と第４マーカブロック２４の距離も十分に確保される。よって、撮像ユニット３で撮像される自発光マーカ同士の距離が長くなり、測定精度が向上する。
【0108】
また、第１マーカブロック２１の各々が有するマーカホルダ７８は、第１マーカブロック２１を支持する支持部６１ａよりも低い熱膨張率の材料で構成されているので、第１マーカブロック２１の複数のマーカ７１～７７の位置関係が周囲の環境によらず一定に保たれ、よって、測定精度が向上する。第２～第４マーカブロック２２～２４についても同様である。つまり、第１～第４マーカブロック２１～２４間の位置関係のみ周囲の環境に応じて補正すれば高精度な測定が行える。
【0109】
（データマッチングの詳細）
図１８は、データマッチングの処理手順の一例を示すフローチャートである。ステップＳＢ１では、図１７に示すフローチャートのステップＳＡ１０で算出したマーカ外部パラメータデータを撮像ユニット３が取得する。また、ステップＳＢ２では、図１７に示すフローチャートのステップＳＡ６で抽出したエッジデータをプローブ２が取得し、撮像ユニット３に送信する。ステップＳＢ３では、ステップＳＢ１で取得したマーカ外部パラメータデータと、ステップＳＢ２で取得したエッジデータを撮像ユニット３が一時保存する。
図１８は、データマッチングの処理手順の一例を示すフローチャートである。ステップＳＢ１では、図１７に示すフローチャートのステップＳＡ１０で算出したマーカ外部パラメータデータを撮像ユニット３が取得する。また、ステップＳＢ２では、図１７に示すフローチャートのステップＳＡ６で抽出したエッジデータをプローブ２が取得し、撮像ユニット３に送信する。ステップＳＢ３では、ステップＳＢ１で取得したマーカ外部パラメータデータと、ステップＳＢ２で取得したエッジデータを撮像ユニット３が一時保存する。
【0110】
ステップＳＢ４では、予め付与されているトリガＩＤに基づいてマーカ外部パラメータデータとエッジデータのＩＤ照合を実行する。ステップＳＢ５では、トリガＩＤが一致するか否かを判定する。トリガＩＤが一致する場合には、ステップＳＢ６でマーカ外部パラメータデータとエッジデータとを紐づける。トリガＩＤが一致しない場合には、ステップＳＢ７でマーカ外部パラメータデータとエッジデータとを廃棄する。ステップＳＢ６の後、ステップＳＢ８では処理部４へのデータ送信処理を実行する。ステップＳＢ９では処理部４がデータを受信する。
【0111】
（温度補正の処理の詳細）
図１９は、温度補正処理の手順を示すフローチャートである。三次元スキャナ１の製造時には、ステップＳＣ１においてプローブ２にキャリブレーション値を記録し、ステップＳＣ２においてプローブ２に基準温度を記録する。すなわち、原点と座標系は、設計上のマーカ座標重心に置き、キャリブレーションによりその座標系での三次元座標が各マーカに割り当てされるとともに、キャリブレーション時の温度が記録される。
図１９は、温度補正処理の手順を示すフローチャートである。三次元スキャナ１の製造時には、ステップＳＣ１においてプローブ２にキャリブレーション値を記録し、ステップＳＣ２においてプローブ２に基準温度を記録する。すなわち、原点と座標系は、設計上のマーカ座標重心に置き、キャリブレーションによりその座標系での三次元座標が各マーカに割り当てされるとともに、キャリブレーション時の温度が記録される。
【0112】
ユーザが三次元スキャナ１を起動させる時には、ステップＳＣ３で撮像ユニット３がプローブ２からキャリブレーション値を読み出し、ステップＳＣ４で撮像ユニット３がプローブ２から基準温度を読み出す。
【0113】
三次元スキャナ１の運用が開始されると、ステップＳＣ５において、プローブ２に内蔵されている温度センサＳ１～Ｓ４（図８に示す）からの出力値を読み込み、それを現在温度として撮像ユニット３に通知する。現在温度は、プローブ２の環境温度に相当する。撮像ユニット３は、ステップＳＣ６でプローブ２から通知された現在温度を読み出す。ステップＳＣ７では、撮像ユニット３が基準温度と現在温度の温度差分を算出する。ステップＳＣ８では、環境温度とキャリブレーション値、熱膨張係数等に基づいて、支持部６１ａ、６１ｂ、６８、６９の膨張／収縮量、即ち寸法変化量を計算する。ステップＳＣ９では、撮像ユニット３が温度差分に基づいてキャリブレーション値を修正する。ステップＳＣ１０では、ステップＳＣ９で修正したキャリブレーション値に基づいてマーカの位置姿勢を算出し、これが位置ずれ情報として利用される。ステップＳＣ５～ＳＣ１０は、所定の短いサイクルで繰り返し実行される。三次元スキャナ１の運用が停止されると、このフローが終了する。
【0114】
（実施形態の作用効果）
以上説明したように、スキャナ部６０を挟んで上下方向に並ぶ第１マーカブロック２１と第２マーカブロック２２、及びスキャナ部６０を挟んで左右方向に並ぶ第３マーカブロック２３と第４マーカブロック２４を備え、第４マーカブロック２４が、第１～第３マーカブロック２１～２３により規定される仮想平面Ｄから離間しているので、プローブ２の向きや姿勢が様々に変化しても、測定に必要な数の自発光マーカを撮像ユニット３よって撮像することができるとともに、撮像されたマーカ同士の距離を十分に確保できる。これにより、測定精度を高めながら、プローブ２の取り回し自由度をより一層高めて測定作業性をさらに良好にできる。
以上説明したように、スキャナ部６０を挟んで上下方向に並ぶ第１マーカブロック２１と第２マーカブロック２２、及びスキャナ部６０を挟んで左右方向に並ぶ第３マーカブロック２３と第４マーカブロック２４を備え、第４マーカブロック２４が、第１～第３マーカブロック２１～２３により規定される仮想平面Ｄから離間しているので、プローブ２の向きや姿勢が様々に変化しても、測定に必要な数の自発光マーカを撮像ユニット３よって撮像することができるとともに、撮像されたマーカ同士の距離を十分に確保できる。これにより、測定精度を高めながら、プローブ２の取り回し自由度をより一層高めて測定作業性をさらに良好にできる。
【0115】
また、第１～第４マーカブロック２１～２４を金属製の支持部６１ａ、６１ｂ、６８、６９で支持し、第１～第４マーカブロック２１～２４の各々が、複数の方向に各々面した各自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７を位置決め固定するとともに支持部６１ａ、６１ｂ、６８、６９よりも低い熱膨張率の材料で構成されたマーカホルダ７８を有しているので、コストや重量の問題を解決しつつ、複数の自発光マーカ７１～７７、８１～８７、９１～９７、１０１～１０７の位置関係を周囲の環境によらず一定に保てるようにして測定精度を向上させることができる。
【0116】
上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【産業上の利用可能性】
【0117】
以上説明したように、本発明は、各種測定対象物の三次元形状を測定する場合に利用できる。
【符号の説明】
【0118】
１ 三次元スキャナ
２ プローブ
３ 撮像ユニット
４ 処理部
２１～２４ 第１～第４マーカブロック
６０ スキャナ部
６２、６３ スキャナ光源
６４、６５ スキャナ撮像部
６１ 光学ベース
７１～７７ 第１～第７自発光マーカ
７１ａ 発光ダイオード（マーカ光源）
７１ｄ 拡散板
７８ マーカホルダ
７８ａ 取付面
７８ｂ 第１面
７８ｃ 第２面
１１０ 外装部材
１１２ 把持部
２ プローブ
３ 撮像ユニット
４ 処理部
２１～２４ 第１～第４マーカブロック
６０ スキャナ部
６２、６３ スキャナ光源
６４、６５ スキャナ撮像部
６１ 光学ベース
７１～７７ 第１～第７自発光マーカ
７１ａ 発光ダイオード（マーカ光源）
７１ｄ 拡散板
７８ マーカホルダ
７８ａ 取付面
７８ｂ 第１面
７８ｃ 第２面
１１０ 外装部材
１１２ 把持部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
