JP2020020698A - 三次元座標測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広い範囲に渡って高い精度で信頼性の高い座標測定を行うことを可能にする三次元座標測定装置を提供する。【解決手段】基準カメラ１１０上に、基準カメラ１１０の光学系の光軸１１０ｃと平行な回転軸の周りで回転可能に可動部材４０が設けられる。可動部材４０には、可動カメラ１２０および参照部材１９０が固定される。参照部材１９０には、基準カメラ１１０により撮像可能な複数のマーカが設けられる。複数のマーカは、基準カメラ１１０に対向するように同一平面上で可動部材４０に固定される。基準カメラ１１０、可動カメラ１２０および参照部材１９０は、ケーシング９０内に収容される。可動カメラ１２０により測定対象物に接触されるプローブが撮像され、基準カメラ１１０により参照部材１９０の複数のマーカが撮像される。各撮像により得られる画像データに基づいて、測定対象物におけるプローブの接触部分の座標が算出される。【選択図】図５

Description

本発明は、接触式のプローブを用いる三次元座標測定装置に関する。

接触式の三次元座標測定装置には、接触部を有するプローブが設けられる。測定対象物にプローブの接触部が接触され、測定対象物と接触部との接触位置が算出される。測定対象物上の複数の位置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。

三次元座標測定装置の一例として、特許文献１に記載された光学式座標測定装置は、載置台、プローブおよび撮像部を備える。載置台上に載置された測定対象物にプローブの接触部が接触される。プローブに設けられた複数のマーカが撮像部によって撮像されることにより、画像データが生成される。その画像データに基づいて測定対象物と接触部との接触位置の座標が算出される。

特開２０１５−１９４４５２号公報

上記の光学式座標測定装置においては、載置台の上方の領域が撮像部により撮像されるように、撮像部と載置台とが保持部により一体的に保持される。この構成では、撮像部の撮像視野は載置台上をカバーする程度に設定される。

しかしながら、載置台を超える大型の測定対象物について座標測定を行うためには、撮像部の撮像視野を拡大する必要がある。撮像視野を拡大するために撮像部の画角を大きくすると、撮像により得られる画像データの分解能が低下する。また、光学式座標測定装置においては、外乱光および塵埃等の影響を受けることなく信頼性の高い座標測定を行うことが求められる。

本発明の目的は、広い範囲に渡って高い精度で信頼性の高い座標測定を行うことを可能にする三次元座標測定装置を提供することである。

（１）本発明に係る三次元座標測定装置は、複数の測定マーカを有するとともに測定対象物上の測定点を指示するためのプローブと、基準撮像部と、基準撮像部が有する光学系の光軸と平行な第１の回転軸の周りで回転可能に設けられる可動部材と、可動部材に固定されるとともに、プローブの複数の測定マーカを撮像する可動撮像部と、基準撮像部の撮像視野内で基準撮像部に対向するように、同一平面上で可動部材に固定される複数の参照マーカと、基準撮像部、可動部材、可動撮像部および複数の参照マーカを収容するケーシングと、基準撮像部により撮像された複数の参照マーカの画像を示す基準画像データに基づいて可動撮像部の位置および姿勢を示す第１の位置姿勢情報を生成し、可動撮像部により撮像された複数の測定マーカの画像を示す測定画像データに基づいて可動撮像部に対するプローブの位置および姿勢を示す第２の位置姿勢情報を生成し、生成された第１および第２の位置姿勢情報に基づいて基準撮像部に対するプローブの位置および姿勢を示す第３の位置姿勢情報を生成し、生成された第３の位置姿勢情報に基づいてプローブにより指示された測定点の座標を算出する算出部とを備える。

その三次元座標測定装置においては、可動部材が第１の回転軸の周りで回転する。その可動部材には複数の参照マーカが固定されている。この場合、可動部材が回転する際には、複数の参照マーカが基準撮像部に対向する状態で第１の回転軸の周りを回転する。それにより、基準撮像部により撮像される複数の参照マーカの画像においては、複数の参照マーカの回転状態が明確に表れる。したがって、基準撮像部を用いて複数の参照マーカを撮像することにより、高い精度で第１の位置姿勢情報を生成することができる。

可動撮像部は可動部材により第１の回転軸の周りで回転可能である。この場合、可動撮像部を回転させることにより、可動撮像部の撮像視野を拡大することなく可動撮像部による撮像可能な範囲が拡大される。したがって、可動撮像部を用いてプローブの複数の測定マーカを撮像することにより、高い精度で第２の位置姿勢情報を生成することができる。それにより、第１および第２の位置姿勢情報に基づいて、高い精度で第３の位置姿勢情報を生成することができる。

また、上記の構成によれば、基準撮像部、可動部材、可動撮像部および複数の参照マーカがケーシング内に収容されているので、基準撮像部、可動部材、可動撮像部および複数の参照マーカを取り囲む空間に塵埃および外乱光が進入することが低減される。したがって、第１および第２の位置姿勢情報に基づいて生成される第３の位置姿勢情報の信頼性が向上する。

生成された第３の位置姿勢情報に基づいて測定対象物上の測定点の座標が算出される。これらの結果、広い範囲に渡って高い精度で信頼性の高い座標測定を行うことが可能になる。

（２）可動部材は、可動撮像部が固定される取付部を有し、複数の参照マーカは、取付部と反対側を向くように可動部材に設けられ、基準撮像部は、可動部材に関して可動撮像部とは反対側に載置されてもよい。

この場合、簡単な構成で第１の位置姿勢情報を生成することができる。

（３）可動部材は、第１の回転軸に直交する第２の回転軸の周りでさらに回転可能に設けられてもよい。

この場合、可動撮像部を第１および第２の回転軸の周りで回転させることにより、可動撮像部の撮像視野を拡大することなく可動撮像部による撮像可能な範囲をより拡大することができる。

（４）三次元座標測定装置は、可動部材を第１の回転軸の周りで回転させる回転駆動部と、複数の測定マーカが可動撮像部の撮像視野内に位置するように、回転駆動部を制御する回転制御部をさらに備えてもよい。

この場合、プローブが移動する場合でも、可動撮像部の撮像視野がプローブの複数の測定マーカに追従する。それにより、使用者は、可動撮像部の撮像視野を調整する必要がない。したがって、煩雑な調整作業を要することなく広い範囲で測定対処物の所望の測定点の座標を測定することが可能になる。

（５）複数の参照マーカは、複数の発光素子を含み、三次元座標測定装置は、複数の発光素子を駆動することにより複数の参照マーカを発光させる発光制御部をさらに備えてもよい。

この場合、複数の参照マーカが発光することにより、高い精度で第１の位置姿勢情報を生成することができる。

（６）複数の参照マーカは、マトリクス状に並ぶように配置されてもよい。

この場合、可動部材が回転するときの複数の参照マーカの変化の状態が把握しやすい。したがって、高い精度で第１の位置姿勢情報を生成することができる。

（７）複数の参照マーカは、互いに離間するように設けられた第１および第２の参照マーカを含み、第１および第２の参照マーカは、他の参照マーカから識別可能に構成されてもよい。

この場合、第１および第２の参照マーカに基づいてより正確に第１の位置姿勢情報を生成することができる。

（８）三次元座標測定装置は、予め定められた複数の幾何要素および予め定められた複数の測定項目から選択された幾何要素および測定項目を受け付ける受付部と、受付部により受け付けられた幾何要素および測定項目と算出部により算出された１または複数の測定点の座標とに基づいて、測定対象物において１または複数の測定点により特定される選択された幾何要素に関する選択された測定項目の値を算出する測定部とをさらに備えてもよい。

この場合、使用者は、予め定められた複数の幾何要素および予め定められた複数の測定項目から所望の幾何要素および測定項目を選択することにより、測定対象物における所望の物理量を容易に測定することができる。

本発明によれば、広い範囲に渡って高い精度で信頼性の高い座標測定を行うことが可能になる。

本発明の一実施の形態に係る三次元座標測定装置の使用例を示す模式図である。 撮像ヘッドおよび処理装置の構成を示すブロック図である。 撮像ヘッドの外観斜視図である。 ケーシングが取り除かれた状態を示す撮像ヘッドの外観斜視図である。 図３の仮想面における撮像ヘッドの模式的断面図である。 （ａ）は図５の参照部材の模式的縦断面図であり、（ｂ）は参照部材の下面図である。 基準カメラが参照部材を撮像することにより得られる複数のマーカの画像例を示す図である。 プローブの構成を示すブロック図である。 プローブの外観斜視図である。 図２の本体制御回路による測定処理の流れを示すフローチャートである。 測定点座標算出処理の流れを示すフローチャートである。 図２の本体制御回路による追跡処理の流れを示すフローチャートである。

［１］三次元座標測定装置の基本構成および使用例
図１は、本発明の一実施の形態に係る三次元座標測定装置の使用例を示す模式図である。図１に示すように、本実施の形態に係る三次元座標測定装置１は、主として撮像ヘッド１００、プローブ２００および処理装置３００から構成され、例えば大型の測定対象物Ｓの各部の寸法等の物理量を測定するために用いられる。図１の例では、測定対象物Ｓとして大型の配管が示される。測定対象物Ｓは、床面上に置かれている。

プローブ２００は、使用者Ｕにより携行される。プローブ２００には、接触部２１１ａが設けられている。使用者Ｕは、測定対象物Ｓの所望の部分にプローブ２００の接触部２１１ａを接触させる。測定対象物Ｓにおける接触部２１１ａとの接触部分が測定点となる。

撮像ヘッド１００は、基準スタンド１０により例えば設置面としての床面上に固定される。撮像ヘッド１００の内部には、可動カメラ１２０が設けられている。可動カメラ１２０によりプローブ２００に設けられた後述する複数のマーカｅｑ（図９）が撮像される。基準スタンド１０は、三脚であり、固定部１１および脚部１２からなる。固定部１１は、平坦な上面を有する。基準スタンド１０は、固定部１１の上面が水平な状態で固定されるように、固定部１１と脚部１２との間で姿勢調整が可能に構成されている。以下の説明において、固定部１１の上面は水平に固定されているものとする。

また、撮像ヘッド１００は、ケーブルＣＡを介して処理装置３００に接続されている。処理装置３００は、例えばパーソナルコンピュータであり、本体表示部３１０および本体操作部３２０が接続されている。処理装置３００においては、可動カメラ１２０がプローブ２００を撮像することにより得られる画像データ（以下、測定画像データと呼ぶ。）と後述する基準画像データとに基づいて測定対象物Ｓ上の測定点の座標が算出される。測定対象物Ｓにおける１または複数の測定点の座標が算出されることにより、それらの算出結果に基づいて測定対象物Ｓの物理量が測定される。

使用者Ｕがプローブ２００を携行して移動する場合には、図１に白抜きの点線矢印で示すように、可動カメラ１２０の撮像視野の向きはプローブ２００の移動に追従する。すなわち、可動カメラ１２０の向きは、プローブ２００が移動するときに、プローブ２００が可動カメラ１２０の撮像視野内に位置するように変化する。それにより、三次元座標測定装置１は、広い測定可能領域を有する。以下、三次元座標測定装置１の各部の構成について詳細を説明する。

［２］撮像ヘッド１００および処理装置３００の構成
図２は、撮像ヘッド１００および処理装置３００の構成を示すブロック図である。図３は撮像ヘッド１００の外観斜視図であり、図４はケーシング９０が取り除かれた状態を示す撮像ヘッド１００の外観斜視図であり、図５は図３の仮想面ＶＰにおける撮像ヘッド１００の模式的断面図である。

まず、撮像ヘッド１００の構成について説明する。図２に示すように、撮像ヘッド１００は、電気的な構成として基準カメラ１１０、可動カメラ１２０、マーカ駆動回路１３０、回転駆動回路１４０、ヘッド制御回路１５０、無線通信回路１６０、通信回路１７０、俯瞰カメラ１８０および参照部材１９０を含む。これらの構成は、図２に二点鎖線で示される固定連結部２０、支持部材３０および可動部材４０のいずれかにより支持された状態で、図３に示すケーシング９０内に収容される。

図３に示すように、ケーシング９０は、下部ケーシング９１および上部ケーシング９２から構成される。図３および図５に示すように、下部ケーシング９１は略円筒形状を有し、撮像ヘッド１００の下端部から一定距離上方に延びる。下部ケーシング９１の上方の位置に上部ケーシング９２が設けられている。上部ケーシング９２は、略釣鐘形状を有し、後述する支持部材３０（図４）とともに水平面内で回転可能に設けられている。

図３に示すように、上部ケーシング９２の一部には、上下方向に延びるスリット９３が形成されている。スリット９３は、可動カメラ１２０の撮像視野をケーシング９０の外部へ導く。また、上部ケーシング９２には、俯瞰カメラ用窓９４が形成されている。俯瞰カメラ用窓９４は、俯瞰カメラ１８０の撮像視野をケーシング９０の外部へ導く。

図４および図５に示すように、固定連結部２０は、下固定板２１、上固定板２２、複数（例えば４本）の支柱２３および中空支持軸２４を含む。下固定板２１は、円板形状を有し、基準スタンド１０の固定部１１の上面上に、ねじを用いて固定されている。下固定板２１の上方には、複数の支柱２３を介して上固定板２２が設けられている。上固定板２２は、下固定板２１と同様に円板形状を有する。上固定板２２の中央部には、円形の開口が形成されている。上固定板２２の上面上には、上固定板２２の中央部の開口を取り囲むように中空支持軸２４がねじを用いて固定されている。図３の下部ケーシング９１は、固定連結部２０を構成するいずれかの部材に取り付けられている。

固定連結部２０においては、下固定板２１と上固定板２２との間の空間に、図２の回転駆動回路１４０、ヘッド制御回路１５０、無線通信回路１６０および通信回路１７０が実装された各種基板が設けられる。また、下固定板２１上には、図５に示すように、下固定板２１から上固定板２２の開口を通して中空支持軸２４の内部まで延びるように基準カメラ１１０が設けられている。この状態で、基準カメラ１１０の撮像視野は上方を向いている。本実施の形態では、基準カメラ１１０の光学系の光軸１１０ｃは、中空支持軸２４の中心軸に一致している。

下固定板２１上および上固定板２２上には、上記の各種基板および基準カメラ１１０に加えて、後述する支持部材３０を中空支持軸２４の中心軸の周りで回転させるため（基準スタンド１０の上面に平行な面内で回転させるため）の水平回転機構１４１が設けられている。水平回転機構１４１は、例えばモータおよび各種動力伝達部材を含む。

図４に示すように、固定連結部２０の中空支持軸２４上には、支持部材３０が設けられている。支持部材３０は、回転台座３１および一対の支持フレーム３２，３３を含む。回転台座３１は、中央部に開口を有し、支持部材３０が中空支持軸２４の中心軸の周りで回転可能となるように、クロスローラベアリングＣＢ（図５）を介して中空支持軸２４の上端部に取り付けられている。図３の上部ケーシング９２は、支持部材３０を構成するいずれかの部材に取り付けられている。中空支持軸２４に対する支持部材３０の回転時には、上部ケーシング９２は支持部材３０とともに下部ケーシング９１に対して相対的に回転する。

一対の支持フレーム３２，３３は、回転台座３１の一側部および他側部から互いに対向しつつ上方に延びるように形成されている。一対の支持フレーム３２，３３の間には、回転台座３１から所定距離離間した位置に可動部材４０が設けられている。

可動部材４０は、一対の支持フレーム３２，３３の互いに対向する部分を通る回転軸３０ｃの周りで回転可能（水平面に対してチルト可能）となるように、支持フレーム３２，３３により支持されている。本実施の形態では、回転軸３０ｃは、基準カメラ１１０（図５）の光軸１１０ｃおよび中空支持軸２４の中心軸に直交する。

一方の支持フレーム３２の上端部近傍には、可動部材４０とは反対側で回転軸３０ｃ上に位置する部分に俯瞰カメラ１８０が取り付けられている。他方の支持フレーム３３の上端部近傍には、可動部材４０とは反対側で回転軸３０ｃ上に位置する部分にチルト回転機構１４３が取り付けられている。チルト回転機構１４３は、例えばモータおよび各種動力伝達部材を含む。チルト回転機構１４３は、可動部材４０を回転軸３０ｃの周りで回転させる。なお、チルト回転機構１４３により可動部材４０を回転可能な範囲は、例えば３０°程度に制限されている。

可動部材４０は、略正方形の扁平な筒状に形成され、上面４１および下面４２を有する。可動部材４０上には、可動カメラ１２０およびその可動カメラ１２０に付随する各種基板が固定される。この状態で、可動カメラ１２０の光学系の光軸１２０ｃ（図５）は可動部材４０の上面４１に平行となっている。

可動部材４０の上端部には、その中央部の開口を塞ぐように図２のマーカ駆動回路１３０が実装された基板４３が設けられている。

図５に示すように、可動部材４０の内部には、複数のマーカｅｐ（図２）を有する参照部材１９０が設けられている。図６（ａ）は図５の参照部材１９０の模式的縦断面図であり、図６（ｂ）は参照部材１９０の下面図である。

図６（ａ），（ｂ）に示すように、参照部材１９０は、発光基板１９１、拡散板１９２、ガラス板１９３および拡散反射シート１９５を含む。発光基板１９１、拡散板１９２およびガラス板１９３は、この順で上方から下方に向かって並ぶように積層されている。その積層体の外周部を取り囲むように拡散反射シート１９５が設けられている。

発光基板１９１の下面には、全体に渡って複数の発光素子Ｌが実装されている。各発光素子Ｌは、例えば赤外ＬＥＤ（発光ダイオード）である。発光素子Ｌ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素子が用いられてもよい。マーカ駆動回路１３０が発光基板１９１上の複数の発光素子Ｌを駆動する。それにより、複数の発光素子Ｌが発光する。

拡散板１９２は、例えば樹脂からなる板部材であり、複数の発光素子Ｌ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１９５は、例えば樹脂からなる帯状のシート部材であり、複数の発光素子Ｌから参照部材１９０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。

ガラス板１９３は、例えば石英ガラスまたはソーダガラスにより形成された板部材である。ガラス板１９３の下面には、複数の円形開口を有するマスク１９４が設けられている。マスク１９４は、例えばガラス板１９３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。

上記の構成により、複数の発光素子Ｌから発生されて拡散板１９２および拡散反射シート１９５により拡散された光が、ガラス板１９３およびマスク１９４の複数の円形開口を通して参照部材１９０の下方に放出される。このようにして、複数の円形開口にそれぞれ対応する自発光型の複数のマーカｅｐが形成される。

本実施の形態においては、図６（ｂ）に示すように、複数のマーカｅｐは、参照部材１９０の下面（平面）上でマトリクス状に等間隔で並んでいる。複数のマーカｅｐのうち、中央部に位置するマーカｅｐおよびその中央部のマーカｅｐから所定距離離間した一のマーカｅｐには、他のマーカｅｐから識別するための識別マーク（本例では点）が付されている。これらの識別マークは、マスク１９４の一部により形成される。以下の説明では、複数のマーカｅｐから識別マークが付された２つのマーカｅｐを区別する場合に、識別マークを含む中央部のマーカｅｐを第１のマーカｅｐ１と呼ぶ。また、識別マークを含む他方のマーカｅｐを第２のマーカｅｐ２と呼ぶ。

上記の構成においては、参照部材１９０は、下方に向く複数のマーカｅｐが基準カメラ１１０の撮像視野の範囲内に位置するように可動部材４０に取り付けられている。さらに、参照部材１９０は、可動部材４０の上面４１および下面４２が基準カメラ１１０の光軸１１０ｃの方向に対して垂直となるときに、第１のマーカｅｐ１が光軸１１０ｃ上に位置するように可動部材４０に取り付けられている。

支持部材３０が固定連結部２０上で回転する際、および可動部材４０が回転軸３０ｃの周りで回転する際には、基準カメラ１１０が参照部材１９０を撮像することにより得られる複数のマーカｅｐの画像が変化する。

図７は、基準カメラ１１０が参照部材１９０を撮像することにより得られる複数のマーカｅｐの画像例を示す図である。図６（ｂ）の複数のマーカｅｐから光が放出されることにより、撮像ヘッド１００により撮像される参照部材１９０の画像においては、複数のマーカｅｐに対応する画像が現れる。

例えば支持部材３０および可動部材４０の各々が予め定められた基準姿勢で保持されている場合に、図７（ａ）に示す画像１１０ｉが得られるものとする。基準姿勢においては、参照部材１９０の下面は、基準カメラ１１０の光軸１１０ｃに直交し、水平に保持される。図７（ａ）の画像１１０ｉにおいては、複数のマーカｅｐにそれぞれ対応するマーカ画像ｉｅｐが、図６（ｂ）の実際の複数のマーカｅｐと同様に、マトリクス状に並んでいる。また、基準カメラ１１０の視野中心に対応する画像中央部には、図６（ｂ）の第１のマーカｅｐ１に対応するマーカ画像ｉｅｐ１が示される。さらに、マーカ画像ｉｅｐ１から所定距離離間した位置に図６（ｂ）の第２のマーカｅｐ２に対応するマーカ画像ｉｅｐ２が示される。

支持部材３０が基準姿勢から回転する場合には、複数のマーカｅｐと基準カメラ１１０との間の距離は大きく変動しない。この回転によれば、図７（ｂ）に示すように、複数のマーカ画像ｉｅｐが画像中央部を中心として回転する。この場合、２つのマーカ画像ｉｅｐ１，ｉｅｐ２の位置関係に基づいて、支持部材３０が基準姿勢からどれだけ回転しているのかを求めることができる。

可動部材４０が基準姿勢から回転する場合には、複数のマーカｅｐと基準カメラ１１０との間の距離がそれぞれ変化する。例えば、複数のマーカｅｐの一部と基準カメラ１１０との間の距離が短くなり、複数のマーカｅｐの他の部分と基準カメラ１１０との間の距離が長くなる。それにより、例えば支持部材３０が図７（ｂ）の画像１１０ｉに対応する回転位置に保持された状態で、可動部材４０が基準姿勢から回転すると、図７（ｃ）に示すように、複数のマーカ画像ｉｅｐの配列状態に歪が生じる。この場合、２つのマーカ画像ｉｅｐ１，ｉｅｐ２を含む全体のマーカ画像ｉｅｐの位置関係に基づいて、可動部材４０が基準姿勢からどれだけ回転しているのかを求めることができる。なお、上記のように、可動部材４０の回転可能な角度範囲は、３０°程度であり、比較的小さい。そのため、可動部材４０が回転する場合でも、２つのマーカ画像ｉｅｐ１，ｉｅｐ２の位置関係は大きく変化しない。

上記のように、可動部材４０には、可動カメラ１２０および参照部材１９０が一体的に固定されている。それにより、基準カメラ１１０が参照部材１９０の複数のマーカｅｐを撮像することにより得られる画像データ（以下、基準画像データと呼ぶ。）に基づいて、基準カメラ１１０に対する可動カメラ１２０の位置および姿勢を算出することが可能である。

可動部材４０と回転台座３１との間には、基準カメラ１１０から参照部材１９０までの基準カメラ１１０の撮像視野を含む撮像空間ｒｓ（図５）を当該撮像空間ｒｓの外部から光学的かつ空間的に遮断する蛇腹５０が設けられている。

本例の蛇腹５０の上端部は可動部材４０の下面４２に接合され、蛇腹５０の下端部は回転台座３１の上面に接合されている。それにより、支持部材３０が水平面内で回転する際には、支持部材３０とともに蛇腹５０も回転する。

また、本例の蛇腹５０は、略正方形の筒形状を有し、チルト回転機構１４３による可動部材４０の回転時にその回転に追従して変形することにより撮像空間ｒｓの光学的かつ空間的な遮断状態を維持可能に構成される。さらに、蛇腹５０は、可動部材４０の回転に追従して変形する際に、その蛇腹５０が基準カメラ１１０の撮像視野に干渉しないように設けられる。

このような構成により、撮像空間ｒｓ内に、撮像空間ｒｓの外部から光が進入することが防止される。また、撮像空間ｒｓの周囲でモータ等が発熱する場合でも、発生された熱が撮像空間ｒｓ内に進入することが防止される。それにより、撮像空間ｒｓの雰囲気に揺らぎが生じることが防止される。したがって、高い精度で複数のマーカｅｐが撮像されるので、基準カメラ１１０に対する可動カメラ１２０の位置および姿勢を高い精度で算出することができる。

また、上記の構成によれば、蛇腹５０の内部空間が外部空間から空間的に遮断されることにより蛇腹５０の内部空間の雰囲気が安定する。したがって、蛇腹５０の外部に設けられる熱源に対してファン等を用いて強制空冷することも可能になる。

なお、撮像空間ｒｓに向く蛇腹５０の内面は、光の反射率が低く光を吸収するような色または素材で構成されることが好ましい。例えば、蛇腹５０の内面の色は黒色であってもよい。または、蛇腹５０の内面は、光を反射しない無反射素材で構成されてもよい。あるいは、蛇腹５０の内面に、光を反射しない無反射素材のコーティングが施されていてもよい。それにより、複数のマーカｅｐから放出される光が、蛇腹５０の内面で乱反射することが防止される。したがって、高い精度で複数のマーカｅｐが撮像される。

撮像ヘッド１００においては、図４に示すように、可動カメラ１２０の重心が基準カメラ１１０の光軸１１０ｃと回転軸３０ｃとの交点ＧＣに近づくように可動カメラ１２０を設けることが望ましい。この場合、可動カメラ１２０の重心が交点ＧＣに近いほど、光軸１１０ｃを中心とする支持部材３０の回転が安定化し、回転軸３０ｃを中心とする可動部材４０の回転が安定化する。また、支持部材３０および可動部材４０を回転させるために必要となる駆動力を低減することができる。それにより、モータ等の駆動部に加わる負担が低減される。

俯瞰カメラ１８０は、図４に示すように、その撮像視野が可動カメラ１２０の撮像視野と同じかまたはほぼ同じ方向を向くように支持フレーム３２に設けられる。俯瞰カメラ１８０の画角は、基準カメラ１１０および可動カメラ１２０の画角に比べて大きい。そのため、俯瞰カメラ１８０の撮像視野は、基準カメラ１１０および可動カメラ１２０の撮像視野に比べて大きい。なお、可動カメラ１２０の画角は、例えば可動カメラ１２０から１．５ｍ離間した位置で直径１５ｃｍ程度の円形領域をカバーできるように設定される。

後述する追跡処理において、俯瞰カメラ１８０は、広い範囲に渡ってプローブ２００を撮像するために用いられる。この場合、例えばプローブ２００が移動することにより可動カメラ１２０の撮像視野からプローブ２００が外れる場合でも、当該プローブ２００が俯瞰カメラ１８０で撮像されることにより、撮像により得られる画像データ（以下、俯瞰画像データと呼ぶ。）に基づいてプローブ２００の大まかな位置を特定することができる。特定された位置に基づいて、可動カメラ１２０の撮像視野内にプローブ２００が位置するように、可動カメラ１２０の位置および姿勢が調整される。

図２に示すように、基準カメラ１１０、可動カメラ１２０、マーカ駆動回路１３０、回転駆動回路１４０、無線通信回路１６０および通信回路１７０は、ヘッド制御回路１５０に接続されている。ヘッド制御回路１５０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）およびメモリ、またはマイクロコンピュータを含み、基準カメラ１１０、可動カメラ１２０、マーカ駆動回路１３０および回転駆動回路１４０を制御する。

基準カメラ１１０、可動カメラ１２０および俯瞰カメラ１８０の各々は、撮像素子として、赤外線を検出可能なＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサを含む。また、基準カメラ１１０、可動カメラ１２０および俯瞰カメラ１８０の各々は、図示しない複数のレンズ（光学系）を含む。

上記のように、基準カメラ１１０、可動カメラ１２０および俯瞰カメラ１８０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）がヘッド制御回路１５０に出力される。

ヘッド制御回路１５０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）メモリが実装されている。基準カメラ１１０、可動カメラ１２０および俯瞰カメラ１８０からそれぞれ出力される受光信号は、ヘッド制御回路１５０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３００に転送される。

マーカ駆動回路１３０は、ヘッド制御回路１５０の制御に基づいて、図６（ａ）の発光基板１９１を駆動する。それにより、発光基板１９１上の複数の発光素子Ｌが発光し、参照部材１９０の複数のマーカｅｐから光が放出される。なお、この発光タイミングと基準カメラ１１０の撮像タイミングとは同期される。

回転駆動回路１４０は、ヘッド制御回路１５０の制御に基づいて図４の水平回転機構１４１を駆動する。それにより、図４の支持部材３０が固定連結部２０上で回転し、可動部材４０および上部ケーシング９２（図３）が回転する。このとき、可動部材４０が回転することにより、スリット９３（図３）を通って上部ケーシング９２の内部から外部に導かれる可動カメラ１２０の撮像視野が図１の基準スタンド１０上で水平方向に回転する。

また、回転駆動回路１４０は、ヘッド制御回路１５０の制御に基づいて図４のチルト回転機構１４３を駆動する。それにより、図４の可動部材４０が一対の支持フレーム３２，３３間で回転軸３０ｃを中心として回転する。このとき、スリット９３（図３）を通る可動カメラ１２０の撮像視野が図１の基準スタンド１０上でスリット９３に沿って上下方向に回転する。これらの回転駆動回路１４０による可動カメラ１２０の撮像視野の回転は、処理装置３００における後述する追跡処理に基づいて行われる。

ヘッド制御回路１５０は、無線通信回路１６０を介してプローブ２００との間で無線通信を行う。また、ヘッド制御回路１５０は、通信回路１７０およびケーブルＣＡ（図１）を介して処理装置３００との間で有線通信を行う。

図２に示すように、処理装置３００は、通信回路３０１、本体制御回路３０２および本体メモリ３０３を含む。通信回路３０１および本体メモリ３０３は、本体制御回路３０２に接続されている。また、本体制御回路３０２には、本体操作部３２０および本体表示部３１０が接続されている。

本体メモリ３０３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。本体メモリ３０３には、システムプログラムとともに、後述する測定処理プログラムおよび追跡処理プログラムが記憶される。また、本体メモリ３０３は、種々のデータの処理および撮像ヘッド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。

本体制御回路３０２は、ＣＰＵを含む。本実施の形態においては、本体制御回路３０２および本体メモリ３０３は、パーソナルコンピュータにより実現される。本体制御回路３０２は、撮像ヘッド１００からケーブルＣＡ（図１）および通信回路３０１を介して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。

本実施の形態では、撮像ヘッド１００に設けられる基準カメラ１１０、可動カメラ１２０および俯瞰カメラ１８０にそれぞれ対応する基準画像データ、測定画像データおよび俯瞰画像データが生成される。また、プローブ２００に設けられる後述するプローブカメラ２０８に対応する画像データが生成される。本体制御回路３０２は、基準画像データおよび測定画像データに基づいて、プローブ２００の接触部２１１ａ（図１）の位置を算出する。

本体表示部３１０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。本体表示部３１０には、本体制御回路３０２による制御に基づいて、測定対象物Ｓ上の測定点の座標および測定対象物Ｓの各部の測定結果等が表示される。また、本体表示部３１０には、測定に関する種々の設定を行うための設定画面が表示される。

本体操作部３２０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。本体操作部３２０は、使用者Ｕにより操作される。

［３］プローブ２００の構成
図８は、プローブ２００の構成を示すブロック図である。図９はプローブ２００の外観斜視図である。図８に示すように、プローブ２００は、電気的な構成としてプローブ制御部２０１、表示灯２０２、バッテリ２０３、マーカ駆動回路２０４、プローブメモリ２０５、無線通信回路２０６、モーションセンサ２０７、プローブカメラ２０８、プローブ操作部２２１、タッチパネルディスプレイ２３０および複数（本例では３つ）の目標部材２９０を含む。

バッテリ２０３は、プローブ２００に設けられた他の構成要素に電力を供給する。プローブ制御部２０１は、ＣＰＵおよびメモリ、またはマイクロコンピュータを含み、表示灯２０２、マーカ駆動回路２０４、プローブカメラ２０８およびタッチパネルディスプレイ２３０を制御する。また、プローブ制御部２０１は、使用者Ｕによるプローブ操作部２２１およびタッチパネルディスプレイ２３０の操作に応答して、各種処理を行う。

図８に二点鎖線で示すように、プローブ２００は、上記の各構成要素を収容または支持するプローブケーシング２１０および把持部２２０を有する。プローブ制御部２０１、表示灯２０２、バッテリ２０３、マーカ駆動回路２０４、プローブメモリ２０５、無線通信回路２０６、モーションセンサ２０７およびプローブカメラ２０８は、プローブケーシング２１０内に収容される。複数の目標部材２９０は、プローブケーシング２１０の後述する上面部２１０ｃ（図９）に設けられる。プローブ操作部２２１は、押下操作が可能に構成されたボタンであり、把持部２２０に設けられる。

タッチパネルディスプレイ２３０は、プローブ表示部２３１およびタッチパネル２３２を含む。プローブ表示部２３１は、例えば液晶ディスプレイパネルまたは有機ＥＬパネルにより構成される。

表示灯２０２は、例えば１または複数のＬＥＤを含み、その発光部がプローブケーシング２１０の外部に露出するように設けられている。表示灯２０２は、プローブ制御部２０１の制御に基づいてプローブ２００の状態に応じた発光動作を行う。

３つの目標部材２９０の各々は、基本的に図６（ａ），（ｂ）の参照部材１９０と同じ構成を有する。マーカ駆動回路２０４は、複数の目標部材２９０に接続され、プローブ制御部２０１の制御に基づいて各目標部材２９０が含む複数の発光素子を駆動する。

プローブメモリ２０５は、不揮発性メモリまたはハードディスク等の記録媒体を含む。プローブメモリ２０５は、種々のデータの処理および撮像ヘッド１００から与えられる画像データ等の種々のデータを保存するために用いられる。

モーションセンサ２０７は、例えば使用者Ｕがプローブ２００を携行して移動する際に、そのプローブ２００の動きを検出する。例えば、モーションセンサ２０７は、プローブ２００の移動時に、その移動方向、加速度および姿勢等を検出する。プローブカメラ２０８は、例えばＣＣＤ（電荷結合素子）カメラである。

プローブ制御部２０１には、上記のＣＰＵおよびメモリ、またはマイクロコンピュータに加えて、図示しないＡ／Ｄ変換器およびＦＩＦＯメモリが実装されている。それにより、プローブ制御部２０１においては、モーションセンサ２０７により検出されたプローブ２００の動きを示す信号がデジタル信号形式のデータ（以下、動きデータと呼ぶ。）に変換される。また、プローブ制御部２０１においては、プローブカメラ２０８の各画素から出力される受光信号がデジタル信号形式の複数の画素データに変換される。プローブ制御部２０１は、デジタル形式の動きデータおよび複数の画素データを、無線通信回路２０６を通して図２の撮像ヘッド１００に無線通信により送信する。この場合、動きデータおよび複数の画素データは、さらに撮像ヘッド１００から処理装置３００に転送される。

図９に示すように、プローブケーシング２１０は、一方向に延びるように形成され、前端部２１０ａ、後端部２１０ｂ、上面部２１０ｃおよび底面部２１０ｄを有する。底面部２１０ｄには、把持部２２０が設けられている。把持部２２０は、プローブケーシング２１０に平行に延びるように形成されている。プローブ操作部２２１は、把持部２２０のうちプローブケーシング２１０の後端部２１０ｂに近い部分に設けられている。

プローブケーシング２１０の後端部２１０ｂには、タッチパネルディスプレイ２３０が設けられている。前端部２１０ａには、スタイラス２１１が設けられている。スタイラス２１１は、先端部に接触部２１１ａを有する棒状の部材である。前端部２１０ａには、さらにプローブカメラ２０８が設けられている。

プローブケーシング２１０の上面部２１０ｃには、前端部２１０ａから後端部２１０ｂにかけて並ぶように３つの目標部材２９０が設けられている。本例の３つの目標部材２９０のうち前端部２１０ａに最も近い目標部材２９０は、３つのマーカｅｑを有する。残りの２つの目標部材２９０の各々は、２つのマーカｅｑを有する。各マーカｅｐは、赤外光を放出する自発光型のマーカである。なお、これらの複数のマーカｅｑの発光タイミングと撮像ヘッド１００の可動カメラ１２０の撮像タイミングとは同期される。

使用者Ｕは、プローブケーシング２１０の上面部２１０ｃが撮像ヘッド１００に向くように把持部２２０を把持する。その上で、使用者Ｕは、測定対象物Ｓの所望の部分に接触部２１１ａを接触させる。また、使用者Ｕは、タッチパネルディスプレイ２３０に表示される画像を視認しつつ、プローブ操作部２２１およびタッチパネルディスプレイ２３０を操作する。

［４］測定点の座標の算出方法
本実施の形態に係る三次元座標測定装置１においては、基準カメラ１１０に対して予め定められた関係を有する三次元座標系（以下、装置座標系と呼ぶ。）が予め定義されている。また、処理装置３００の本体メモリ３０３には、予め参照部材１９０における複数のマーカｅｐの相対的な位置関係が記憶されている。

上記のように、基準カメラ１１０は、参照部材１９０の複数のマーカｅｐを撮像する。この場合、図２の本体制御回路３０２は、撮像により得られる基準画像データと、本体メモリ３０３に記憶されている複数のマーカｅｐの位置関係とに基づいて、装置座標系における各マーカｅｐの各座標を算出する。このとき、参照部材１９０の複数のマーカｅｐの各々は、第１および第２のマーカｅｐ１，ｅｐ２に基づいて識別される。

その後、本体制御回路３０２は、算出された複数のマーカｅｐの座標に基づいて、参照部材１９０上に固定された可動カメラ１２０の位置および姿勢を装置座標系により示す情報を第１の位置姿勢情報として生成する。

本実施の形態に係る三次元座標測定装置１においては、上記の装置座標系に加えて、可動カメラ１２０に対して予め定められた関係を有する三次元座標系（以下、可動座標系と呼ぶ。）が予め定義されている。また、処理装置３００の本体メモリ３０３には、予めプローブ２００における複数のマーカｅｑの相対的な位置関係が記憶されている。

上記のように、可動カメラ１２０は、プローブ２００の複数のマーカｅｑを撮像する。この場合、図２の本体制御回路３０２は、撮像により得られる測定画像データと、本体メモリ３０３に記憶されている複数のマーカｅｑの位置関係とに基づいて、可動座標系における各マーカｅｑの各座標を算出する。

その後、本体制御回路３０２は、算出された複数のマーカｅｑの座標に基づいて、プローブ２００の位置および姿勢を可動座標系により示す情報を第２の位置姿勢情報として生成する。

基準カメラ１１０は基準スタンド１０に固定されている。そのため、測定対象物Ｓの測定時に装置座標系は変化しない。一方、可動カメラ１２０は、撮像視野がプローブ２００の移動に追従するように、回転可能に設けられている。そのため、装置座標系と可動座標系との間の関係は、可動カメラ１２０の回転とともに変化する。

そこで、本実施の形態では、本体制御回路３０２は、第１および第２の位置姿勢情報に基づいて、プローブ２００の位置および姿勢を装置座標系で表す第３の位置姿勢情報を生成する。すなわち、本体制御回路３０２は、第１の位置姿勢情報に基づいて装置座標系に対する可動座標系の相対的な関係を算出するとともに、算出された関係に基づいて第２の位置姿勢情報を装置座標系に従う情報に変換する。それにより、第３の位置姿勢情報が生成される。

その後、本体制御回路３０２は、生成された第３の位置姿勢情報と、プローブ２００における複数のマーカｅｑおよび接触部２１１ａ間の位置関係とに基づいてプローブ２００により指示された測定点の座標を算出する。

[５]測定例
図９のプローブ操作部２２１は、測定点の座標を算出するために使用者Ｕにより押下操作される。例えば、使用者Ｕは、測定対象物Ｓの所望の部分に接触部２１１ａが接触された状態で、プローブ操作部２２１を押下操作する。この場合、この場合、測定対象物Ｓにおける接触部２１１ａとの接触部分の座標が、測定点の座標として算出される。算出された測定点の座標は、測定結果として本体メモリ３０３に記憶されるとともに、プローブ表示部２３１および本体表示部３１０に表示される。

三次元座標測定装置１においては、使用者Ｕは、図２の本体操作部３２０または図８のタッチパネルディスプレイ２３０を操作することにより、測定対象物Ｓに対して所望の測定条件を設定することができる。

具体的には、使用者Ｕは、測定対象物Ｓについて、幾何要素および測定項目の選択を行う。幾何要素は、測定対象物Ｓにおいて測定すべき部分の形状を示す幾何学形状の種類である。幾何学形状の種類には、点、直線、平面、円、円筒および球等が含まれる。また、測定項目は、測定対象物Ｓに対して何を測定すべきかを示すものであり、距離、角度および平面度等の種々の物理量が含まれる。

幾何要素および測定項目の選択後、使用者Ｕは、選択された幾何要素についてプローブ２００を用いた１または複数の測定点の指示を行う。それにより、選択された幾何要素であって、測定対象物Ｓ上で１または複数の測定点により特定される幾何要素を装置座標系で示す情報（以下、要素特定情報と呼ぶ。）が生成される。その後、生成された要素特定情報に関して選択された測定項目の値が算出される。

例えば、使用者Ｕは、互いに平行かつ反対側の第１および第２の面を有する測定対象物Ｓの第１の面と第２の面との間の距離を測定したい場合には、幾何要素「平面１」および「平面２」を選択する。また、使用者Ｕは、測定項目「距離」を選択する。

この場合、使用者Ｕは、幾何要素「平面１」に対応する測定対象物Ｓ上の平面（第１の面）を特定するために、プローブ２００を用いて測定対象物Ｓの第１の面の複数（本例では３点以上）の部分を測定点として指示する。これにより、幾何要素「平面１」に対応する要素特定情報が生成される。

さらに、使用者Ｕは、幾何要素「平面２」に対応する測定対象物Ｓ上の平面（第２の面）を特定するために、プローブ２００を用いて測定対象物Ｓの第２の面の複数（本例では３点以上）の部分を測定点として指示する。これにより、幾何要素「平面２」に対応する要素特定情報が生成される。

その後、幾何要素「平面１」および「平面２」にそれぞれ対応する２つの要素特定情報に基づいて、測定項目「距離」に対応する測定対象物Ｓの第１の面と第２の面との間の距離が算出される。

算出された測定結果は、本体メモリ３０３に記憶されるとともに、プローブ表示部２３１および本体表示部３１０に表示される。

[６]測定処理
図１０は、図２の本体制御回路３０２による測定処理の流れを示すフローチャートである。図１０の測定処理は、図２の本体制御回路３０２のＣＰＵが本体メモリ３０３に記憶された測定処理プログラムを実行することにより所定周期で繰り返して行われる。また、測定処理の開始時には、本体制御回路３０２に内蔵されたタイマがリセットされるとともにスタートされる。

まず、本体制御回路３０２は、使用者Ｕによる図２の本体操作部３２０または図８のタッチパネルディスプレイ２３０の操作の有無に基づいて、幾何要素および測定項目の選択が行われたか否かを判定する（ステップＳ１１）。

幾何要素および測定項目の選択が行われた場合、本体制御回路３０２は、選択された幾何要素および測定項目を図２の本体メモリ３０３に記憶させることにより測定条件として幾何要素および測定項目の設定を行う（ステップＳ１２）。その後、本体制御回路３０２は、ステップＳ１１の処理に戻る。

ステップＳ１１において、幾何要素および測定項目の選択が行われない場合、本体制御回路３０２は、幾何要素および測定項目が設定されているか否かを判定する（ステップＳ１３）。幾何要素および測定項目が設定されている場合、本体制御回路３０２は、測定対象物Ｓの測定を開始すべき指令を受けたか否かを判定する（ステップＳ１４）。この判定は、例えば使用者Ｕによる本体操作部３２０またはタッチパネルディスプレイ２３０の操作の有無に基づいて行われる。

測定対象物Ｓの測定を開始すべき指令を受けた場合、本体制御回路３０２は、測定点座標算出処理を行う（ステップＳ１５）。測定点座標算出処理の詳細は後述する。この処理により、本体制御回路３０２は、使用者によるプローブ２００の操作に基づいて、選択された幾何要素を特定するための測定点の座標を算出する。

また、本体制御回路３０２は、ステップＳ１５の測定点座標算出処理により算出される１または複数の測定点の座標を本体メモリ３０３に記憶させる（ステップＳ１６）。

次に、本体制御回路３０２は、測定対象物Ｓの測定を終了すべき指令を受けたか否かを判定する（ステップＳ１７）。この判定は、例えば使用者Ｕによる本体操作部３２０またはタッチパネルディスプレイ２３０の操作の有無に基づいて行われる。

測定の終了指令を受けない場合、本体制御回路３０２は、上記のステップＳ１５の処理に戻る。一方、測定の終了指令を受けると、本体制御回路３０２は、直前のステップＳ１６の処理で本体メモリ３０３に記憶された１または複数の測定点の座標から設定された幾何要素について要素特定情報を生成する（ステップＳ１８）。

その後、本体制御回路３０２は、ステップＳ１８の処理で生成された要素特定情報に基づいて設定された測定項目の値を算出し（ステップＳ１９）、測定処理を終了する。なお、ステップＳ１３の判定時において、複数の幾何要素（例えば、２つの平面等）が設定されている場合には、設定された幾何要素ごとに上記のステップＳ１４〜Ｓ１８の処理が行われる。

ステップＳ１３において幾何要素および測定項目が設定されていない場合およびステップＳ１４において測定対象物Ｓの測定を開始すべき指令を受けない場合、本体制御回路３０２は、内蔵のタイマによる計測時間に基づいて、当該測定処理が開始された後予め定められた時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ２０）。

予め定められた時間が経過していない場合、本体制御回路３０２は、ステップＳ１１の処理に戻る。一方、予め定められた時間が経過した場合、本体制御回路３０２は、ステップＳ１５の処理と同様に、後述する測定点座標算出処理を行う（ステップＳ２１）。その後、本体制御回路３０２は、測定処理を終了する。

なお、ステップＳ２１の処理は、例えば後述する追跡処理においてプローブ２００が可動カメラ１２０または俯瞰カメラ１８０の撮像視野内にあるか否かを判定するために行われる。

図１１は、測定点座標算出処理の流れを示すフローチャートである。まず、本体制御回路３０２は、プローブ２００のプローブ制御部２０１に対して複数のマーカｅｑ(図９）の発光を指令するとともに、撮像ヘッド１００のヘッド制御回路１５０に対して参照部材１９０の複数のマーカｅｐ(図６（ｂ））の発光を指令する（ステップＳ１０１）。

次に、本体制御回路３０２は、ヘッド制御回路１５０により基準カメラ１１０を用いて参照部材１９０の複数のマーカｅｐを撮像させることにより基準画像データを生成する（ステップＳ１０２）。また、本体制御回路３０２は、生成された基準画像データに基づいて、可動カメラ１２０の位置および姿勢を装置座標系により示す第１の位置姿勢情報を生成する（ステップＳ１０３）。

次に、本体制御回路３０２は、可動カメラ１２０を用いてプローブ２００の複数のマーカｅｑを撮像することにより測定画像データを生成する（ステップＳ１０４）。また、本体制御回路３０２は、生成された測定画像データに基づいて、プローブ２００の位置および姿勢を可動座標系により示す第２の位置姿勢情報を生成する（ステップＳ１０５）。

その後、本体制御回路３０２は、第１および第２の位置姿勢情報に基づいて、プローブ２００の位置および姿勢を装置座標系で表す第３の位置姿勢情報を生成する（ステップＳ１０６）。また、本体制御回路３０２は、生成された第３の位置姿勢情報に基づいてプローブ２００により指示された測定点の座標を算出する。

なお、上記のステップＳ１０２，Ｓ１０３の処理とステップＳ１０４，Ｓ１０５の処理とは、逆の順に行われてもよい。

上記の測定処理によれば、使用者Ｕは、予め定められた複数の幾何要素および予め定められた複数の測定項目から所望の幾何要素および測定項目を選択することにより、測定対象物Ｓにおける所望の物理量を容易に測定することができる。

[７]追跡処理
図１２は、図２の本体制御回路３０２による追跡処理の流れを示すフローチャートである。図１２の追跡処理は、図２の本体制御回路３０２のＣＰＵが本体メモリ３０３に記憶された追跡処理プログラムを実行することにより所定周期で繰り返して行われる。

まず、本体制御回路３０２は、プローブ２００が可動カメラ１２０の撮像視野内にあるか否かを判定する（ステップＳ３１）。この判定は、測定処理におけるステップＳ１５，Ｓ２１の処理中に生成される測定画像データに、複数のマーカｅｑに対応する画像データが含まれているか否かを判定することにより行われる。

プローブ２００が可動カメラ１２０の撮像視野内にある場合、本体制御回路３０２は、後述するステップＳ３８の処理に進む。一方、プローブ２００が可動カメラ１２０の撮像視野内にない場合、本体制御回路３０２は、プローブ２００が俯瞰カメラ１８０の撮像視野内にあるか否かを判定する（ステップＳ３２）。この判定は、上記の測定処理におけるステップＳ１５，Ｓ２１の処理中に生成される俯瞰画像データに、複数のマーカｅｑに対応する画像データが含まれているか否かを判定することにより行われる。

プローブ２００が俯瞰カメラ１８０の撮像視野内にある場合、本体制御回路３０２は、後述するステップＳ３７の処理に進む。一方、プローブ２００が可動カメラ１２０の撮像視野内にない場合、本体制御回路３０２は、プローブ２００から転送される動きデータに基づいてプローブ２００の座標推定を行うことが可能か否かを判定する（ステップＳ３３）。この判定は、例えば動きデータが異常な値を示しているか否かまたは動きデータの示す値が０であるか否か等に基づいて行われる。動きデータが異常な値を示す場合、または動きデータが０である場合、プローブ２００の座標推定は不可能である。

プローブ２００の座標推定が可能である場合、本体制御回路３０２は、動きデータに基づいてプローブ２００の位置を推定する。また、本体制御回路３０２は、プローブ２００が可動カメラ１２０の撮像視野内に位置するように、可動カメラ１２０の位置および姿勢の調整を指令する（ステップＳ３４）。その後、本体制御回路３０２は、ステップＳ３１の処理に戻る。

ここで、使用者Ｕは、図２の本体操作部３２０または図８のタッチパネルディスプレイ２３０を操作することにより、本体制御回路３０２にプローブ２００の探索を指令することができる。

そこで、ステップＳ３３において、プローブ２００の座標推定が不可能である場合、本体制御回路３０２は、プローブ２００の探索指令を受けたか否かを判定する（ステップＳ３５）。プローブ２００の探索指令を受けない場合、本体制御回路３０２は、ステップＳ３１の処理に戻る。一方、プローブ２００の探索指令を受けた場合、本体制御回路３０２は、撮像ヘッド１００の支持部材３０を回転するように、ヘッド制御回路１５０に指令する。このようにして、本体制御回路３０２は、俯瞰カメラ１８０によるプローブ２００の探索を行う（ステップＳ３６）。

その後、本体制御回路３０２は、プローブ２００が俯瞰カメラ１８０の撮像視野内に位置することになると、俯瞰画像データに基づいてプローブ２００の位置を算出する。また、本体制御回路３０２は、プローブ２００が可動カメラ１２０の撮像視野内に位置するように可動カメラ１２０の位置および姿勢の調整をヘッド制御回路１５０に指令する（ステップＳ３７）。

次に、本体制御回路３０２は、プローブ２００が可動カメラ１２０の撮像視野内に位置することになると、プローブ２００の複数のマーカｅｑの重心が可動カメラ１２０の撮像視野の中心に位置するように可動カメラ１２０の位置および姿勢の調整をヘッド制御回路１５０に指令する（ステップＳ３８）。その後、本体制御回路３０２は、追跡処理を終了する。

上記の追跡処理によれば、プローブ２００が移動する場合でも、可動カメラ１２０の撮像視野がプローブ２００の複数のマーカｅｑに追従する。それにより、使用者Ｕは、可動カメラ１２０の撮像視野を手動で調整する必要がない。したがって、煩雑な調整作業を要することなく広い範囲で測定対象物Ｓの所望の測定点の座標を測定することが可能になる。

［８］プローブカメラ２０８の使用例
図８のプローブカメラ２０８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の画像を図２の本体表示部３１０に表示させることができる。以下、プローブカメラ２０８により得られる画像を撮像画像と呼ぶ。

プローブ２００の複数のマーカｅｑとプローブカメラ２０８との位置関係、およびプローブカメラ２０８の特性（画角およびディストーション等）は、例えば図２の本体メモリ３０３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ｅｑが可動カメラ１２０の撮像視野内にある場合、プローブカメラ２０８により撮像される領域が図２の本体制御回路３０２により認識される。すなわち、撮像画像に対応する３次元空間が本体制御回路３０２により認識される。この場合、本体表示部３１０に撮像画像を表示させつつ、測定対象物Ｓの測定時に設定された幾何要素および測定項目を重畳表示させることができる。

なお、撮像画像は、プローブ２００のタッチパネルディスプレイ２３０に表示されてもよい。例えば、ある測定対象物Ｓについて、測定すべき部分をプローブカメラ２０８で予め撮像することにより得られた撮像画像をタッチパネルディスプレイ２３０に表示させる。この場合、使用者Ｕは、当該撮像画像を視認しつつプローブ２００を操作することにより、他の測定対象物Ｓについてもその測定すべき部分を容易に識別することが可能になる。

［９］効果
（１）上記の三次元座標測定装置１においては、可動部材４０が基準カメラ１１０の光軸１１０ｃの周りで回転する。その可動部材４０には参照部材１９０の複数のマーカｅｐが固定されている。この場合、可動部材４０が回転する際には、複数のマーカｅｐが基準カメラ１１０に対向する状態で光軸１１０ｃの周りを回転する。それにより、基準カメラ１１０により撮像される複数のマーカｅｐの画像においては、複数のマーカｅｐの回転状態が明確に表れる。したがって、基準カメラ１１０を用いて複数のマーカｅｐを撮像することにより、基準カメラ１１０に対する可動カメラ１２０の位置および姿勢を示す第１の位置姿勢情報を高い精度で生成することができる。

可動カメラ１２０は可動部材４０により基準カメラ１１０の光軸１１０ｃの周りで回転可能である。この場合、可動カメラ１２０の撮像視野を拡大することなく可動カメラ１２０による撮像可能な範囲が拡大される。したがって、可動カメラ１２０を用いてプローブ２００の複数のマーカｅｐを撮像することにより、可動カメラ１２０に対するプローブ２００の位置および姿勢を示す第２の位置姿勢情報を高い精度で生成することができる。

したがって、第１および第２の位置姿勢情報に基づいて基準カメラ１１０に対するプローブ２００の位置および姿勢を示す第３の位置姿勢情報を高い精度で生成することができる。

また、上記の構成によれば、基準カメラ１１０、可動カメラ１２０および参照部材１９０がケーシング９０内に収容されている。それにより、基準カメラ１１０、可動カメラ１２０および参照部材１９０を取り囲む空間に塵埃および外乱光が進入することが低減される。したがって、第３の位置姿勢情報の信頼性が向上する。

生成された第３の位置姿勢情報に基づいて測定対象物Ｓ上の測定点の座標が算出される。これらの結果、広い範囲に渡って高い精度で信頼性の高い座標測定を行うことが可能になる。

（２）上記の撮像ヘッド１００においては、可動部材４０は基準カメラ１１０の光軸１１０ｃに直交する回転軸３０ｃの周りで回転可能に支持されている。これにより、可動部材４０に固定された可動カメラ１２０の撮像視野を上下方向に移動させることができる。その結果、可動カメラ１２０による撮像可能な範囲がより拡大されている。

（３）上記の参照部材１９０においては、複数のマーカｅｐはマトリクス状に並ぶように配置されている。この場合、可動部材４０が回転するときの複数のマーカｅｐの変化の状態が把握しやすい。したがって、高い精度で第１の位置姿勢情報を生成することができる。

［１０］他の実施の形態
（１）上記実施の形態では、参照部材１９０の複数のマーカｅｐの各々は、平面円形状を有するが、本発明はこれに限定されない。参照部材１９０においては、基準カメラ１１０の撮像により得られる画像データに基づいて可動カメラ１２０の位置および姿勢を算出することができればよい。

各マーカｅｐの形状は平面円形状に限らず、平面多角形状を有してもよいし、平面楕円形状を有してもよいし、平面星形状を有してもよいし、球形状を有してもよい。あるいは、参照部材１９０には、例えば格子状に形成された複数の直線状のマーカが設けられてもよいし、円環状のマーカが設けられてもよいし、コード化されたマーカが設けられてもよい。

（２）上記実施の形態では、参照部材１９０の複数のマーカｅｐの各々は、複数の発光素子Ｌが発光することにより光を放出する自発光型の構成を有するが、本発明はこれに限定されない。各マーカｅｐは、再起反射型の構成を有してもよい。この場合、基準カメラ１１０による複数のマーカｅｐの撮像時には、それらのマーカｅｐに光が照射される必要がある。

（３）上記実施の形態では、プローブ２００を撮像するための可動撮像部として単眼の可動カメラ１２０が用いられるが、本発明はこれに限定されない。可動撮像部として、複眼のカメラが用いられてもよい。

（４）上記実施の形態では、参照部材１９０の複数のマーカｅｐを撮像するための基準撮像部として単眼の基準カメラ１１０が用いられるが、本発明はこれに限定されない。基準撮像部として、複眼のカメラが用いられてもよい。

この場合、複眼カメラを構成する複数のカメラの光学系の光軸が互いに平行であるときには、参照部材１９０は、それらの各光軸に平行な軸の周りで回転可能となるように設けられる。一方、複眼カメラを構成する複数のカメラの光学系の光軸が互いに傾斜しているときには、参照部材１９０は、それらの光軸の重心軸に平行な軸の周りで回転可能となるように設けられる。

（５）上記実施の形態では、基準カメラ１１０は、基準スタンド１０の固定部１１の上面に光軸１１０ｃが直交するように設けられるが、本発明はこれに限定されない。基準カメラ１１０は、その光軸１１０ｃが基準スタンド１０の固定部１１の上面に対して傾斜するように設けられてもよい。

なお、この場合、参照部材１９０は、基準カメラ１１０の光軸１１０ｃに直交するように設けられるとともに、その光軸１１０ｃに平行な軸の周りで回転可能に設けられる。

（６）上記実施の形態に係る三次元座標測定装置１においては、俯瞰カメラ１８０は支持部材３０に取り付けられているが、俯瞰カメラ１８０は固定連結部２０に取り付けられてもよい。この場合、俯瞰カメラ１８０は、支持部材３０の回転時に水平方向に回転しないので、より広い画角を有することが望ましい。あるいは、俯瞰カメラ１８０は設けられなくてもよい。この場合、三次元座標測定装置１の構成が単純化し、部品点数が低減される。

（７）上記実施の形態に係る三次元座標測定装置１においては、可動カメラ１２０は、チルト回転機構１４３によりその撮像視野が上下方向に移動可能に構成されるが、本発明はこれに限定されない。チルト回転機構１４３は設けられなくてもよい。この場合、可動カメラ１２０の撮像視野は、基準カメラ１１０の光軸１１０ｃの周りで水平方向にのみ回転する。

（８）上記実施の形態では、基準カメラ１１０の撮像視野を含む撮像空間ｒｓ（図５）を当該撮像空間ｒｓの外部から光学的かつ空間的に遮断するために蛇腹５０が設けられているが、本発明はこれに限定されない。

可動部材４０と回転台座３１との間には、蛇腹５０に代えて、撮像空間ｒｓを当該撮像空間ｒｓの外部から光学的かつ空間的に遮断することが可能なカーテン状の軟質性素材が設けられてもよい。軟質性素材としては、例えば布またはゴム等を用いることができる。この場合、軟質性素材は、可動部材４０の回転時に基準カメラ１１０の撮像視野に干渉しないように設けられる必要がある。

（９）上記実施の形態では、基準カメラ１１０の撮像視野を含む撮像空間ｒｓ（図５）を当該撮像空間ｒｓの外部から光学的かつ空間的に遮断するために蛇腹５０が設けられているが、本発明はこれに限定されない。

ケーシング９０により撮像空間ｒｓ内に撮像空間ｒｓの外部から光が進入することが十分抑制される場合には、撮像空間ｒｓを当該撮像空間ｒｓの外部から光学的に遮断する必要はない。また、ケーシング９０内の温度雰囲気が均一かつ安定した状態で保持される場合には、撮像空間ｒｓを当該撮像空間ｒｓの外部から空間的に遮断する必要はない。したがって、これらの場合、蛇腹５０は必ずしも設けられなくてもよい。

（１０）上記実施の形態では、参照部材１９０の下面は一の平坦面で構成される。これに限らず、参照部材１９０の下面は、１または複数の段差と複数の平坦面とで形成されてもよい。この場合、複数の平坦面のうち少なくとも１つの平坦面上で複数のマーカｅｐが並ぶように配置されることにより、上記の例と同様に、基準カメラ１１０に対する可動カメラ１２０の位置および姿勢を算出することが可能となる。

［１１］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、プローブ２００の複数のマーカｅｑが複数の測定マーカの例であり、基準スタンド１０が基準ベースの例であり、基準カメラ１１０が基準撮像部の例であり、基準カメラ１１０の光学系の光軸１１０ｃが第１の回転軸の例であり、可動カメラ１２０が可動撮像部の例である。

また、参照部材１９０の複数のマーカｅｐが参照マーカの例であり、本体制御回路３０２が算出部および測定部の例であり、可動部材４０の上面４１が取付部の例であり、回転軸３０ｃが第２の回転軸の例であり、回転駆動回路１４０が回転駆動部の例であり、ヘッド制御回路１５０および本体制御回路３０２が回転駆動部の例である。

さらに、参照部材１９０の複数の発光素子Ｌが複数の発光素子の例であり、マーカ駆動回路１３０およびヘッド制御回路１５０が発光制御部の例であり、第１のマーカｅｐ１が第１の参照マーカの例であり、第２のマーカｅｐ２が第２の参照マーカの例であり、タッチパネルディスプレイ２３０、プローブ制御部２０１、本体操作部３２０および本体制御回路３０２が受付部の例である。

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。

１…三次元座標測定装置，１０…基準スタンド，１１…固定部，１２…脚部，２０…固定連結部，２１…下固定板，２２…上固定板，２３…支柱，２４…中空支持軸，３０…支持部材，３０ｃ…回転軸，３１…回転台座，３２，３３…支持フレーム，４０…可動部材，４１…上面，４２…下面，４３基板，５０…蛇腹，９０…ケーシング，９１…下部ケーシング，９２…上部ケーシング，９３…スリット，９４…俯瞰カメラ用窓，１００…撮像ヘッド，１１０ｉ…画像，１１０…基準カメラ，１１０ｃ，１２０ｃ…光軸，１２０…可動カメラ，１３０，２０４…マーカ駆動回路，１４０…回転駆動回路，１４１…水平回転機構，１４３…チルト回転機構，１５０…ヘッド制御回路，１６０，２０６…無線通信回路，１７０，３０１…通信回路，１８０…俯瞰カメラ，１９０…参照部材，１９１…発光基板，１９２…拡散板，１９３…ガラス板，１９４…マスク，１９５…拡散反射シート，２００…プローブ，２０１…プローブ制御部，２０２…表示灯，２０３…バッテリ，２０５…プローブメモリ，２０７…モーションセンサ，２０８…プローブカメラ，２１０…プローブケーシング，２１０ａ…前端部，２１０ｂ…後端部，２１０ｄ…底面部，２１０ｃ…上面部，２１１…スタイラス，２１１ａ…接触部，２２０…把持部，２２１…プローブ操作部，２３０…タッチパネルディスプレイ，２３１…プローブ表示部，２３２…タッチパネル，２９０…目標部材，３００…処理装置，３０２…本体制御回路，３０３…本体メモリ，３１０…本体表示部，３２０…本体操作部，ｅｐ，ｅｑ…マーカ，ｅｐ１…第１のマーカ，ｅｐ２…第２のマーカ，ＧＣ…交点，ｉｅｐ，ｉｅｐ１，ｉｅｐ２…マーカ画像，ｒｓ…撮像空間，Ｓ…測定対象物，Ｕ…使用者

Claims (8)

1. 複数の測定マーカを有するとともに測定対象物上の測定点を指示するためのプローブと、
   基準撮像部と、
   前記基準撮像部が有する光学系の光軸と平行な第１の回転軸の周りで回転可能に設けられる可動部材と、
   前記可動部材に固定されるとともに、前記プローブの複数の測定マーカを撮像する可動撮像部と、
   前記基準撮像部の撮像視野内で前記基準撮像部に対向するように、同一平面上で前記可動部材に固定される複数の参照マーカと、
   前記基準撮像部、前記可動部材、前記可動撮像部および前記複数の参照マーカを収容するケーシングと、
   前記基準撮像部により撮像された前記複数の参照マーカの画像を示す基準画像データに基づいて前記可動撮像部の位置および姿勢を示す第１の位置姿勢情報を生成し、前記可動撮像部により撮像された前記複数の測定マーカの画像を示す測定画像データに基づいて前記可動撮像部に対する前記プローブの位置および姿勢を示す第２の位置姿勢情報を生成し、前記生成された前記第１および第２の位置姿勢情報に基づいて前記基準撮像部に対する前記プローブの位置および姿勢を示す第３の位置姿勢情報を生成し、前記生成された前記第３の位置姿勢情報に基づいて前記プローブにより指示された測定点の座標を算出する算出部とを備えた、三次元座標測定装置。
2. 前記可動部材は、前記可動撮像部が固定される取付部を有し、
   前記複数の参照マーカは、前記取付部と反対側を向くように前記可動部材に設けられ、
   前記基準撮像部は、前記可動部材に関して前記可動撮像部とは反対側に載置された、請求項１記載の三次元座標測定装置。
3. 前記可動部材は、前記第１の回転軸に直交する第２の回転軸の周りでさらに回転可能に設けられた、請求項１または２記載の三次元座標測定装置。
4. 前記可動部材を前記第１の回転軸の周りで回転させる回転駆動部と、
   前記複数の測定マーカが前記可動撮像部の撮像視野内に位置するように、前記回転駆動部を制御する回転制御部をさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の三次元座標測定装置。
5. 前記複数の参照マーカは、複数の発光素子を含み、
   前記三次元座標測定装置は、前記複数の発光素子を駆動することにより前記複数の参照マーカを発光させる発光制御部をさらに備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の三次元座標測定装置。
6. 前記複数の参照マーカは、マトリクス状に並ぶように配置された、請求項１〜５のいずれか一項に記載の三次元座標測定装置。
7. 前記複数の参照マーカは、互いに離間するように設けられた第１および第２の参照マーカを含み、
   前記第１および第２の参照マーカは、他の参照マーカから識別可能に構成された、請求項１〜６のいずれか一項に記載の三次元座標測定装置。
8. 予め定められた複数の幾何要素および予め定められた複数の測定項目から選択された幾何要素および測定項目を受け付ける受付部と、
   前記受付部により受け付けられた幾何要素および測定項目と前記算出部により算出された１または複数の測定点の座標とに基づいて、前記測定対象物において前記１または複数の測定点により特定される前記選択された幾何要素に関する前記選択された測定項目の値を算出する測定部とをさらに備えた、請求項１〜７のいずれか一項に記載の三次元座標測定装置。

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