JP6331587B2 - ３次元座標測定装置及び方法、並びに校正装置 - Google Patents

Description

本発明は、３次元座標を測定する３次元座標測定装置及び方法、並びにこの３次元座標測定装置を備える校正装置に関する。

測定対象物の寸法、位置、及び形状などの測定を行う測定機器として、例えば、測定対象物上の各測定点に相対的に接触子（プローブ）を移動させて各測定点の位置（３次元座標）を検出する３次元測定機がよく知られている。このような３次元測定機では、測定精度の確保が極めて重要である。このため、３次元測定機の製造時や定期メンテナンス時には、校正用のブロックゲージ、ステップゲージ、及び参照標準器（ボールプレート等）を用いて３次元測定機を校正することにより、３次元測定機の測定精度を確保しているのが通常である（特許文献１、非特許文献１参照）。

また、既存の光波距離計やＨｅ−Ｎｅレーザ干渉計を用いて、トラッキング装置を利用して３次元測定機を校正する方法も知られている（非特許文献１参照）

特開２００６−３２９６９４号公報

独立行政法人 産業技術総合研究所 高辻利之、"三次元測定機のトレーサビリティ体系と工業標準"、［平成２５年１０月２９日検索］、インターネット（URL: http://www.nmij.jp/~regional-innovation/kikakeijo/docimgs/0309_takatsuji.pdf）

しかしながら、ブロックゲージ等を用いて３次元測定機の校正を行う場合には、ブロックゲージ等の人工物は傷が付き易く、運搬が容易ではないという問題がある。さらに、ブロックゲージ等を用いた校正作業には多くの時間を要し、ブロックゲージ等のコストも高いという問題もある。

また、トラッキング装置を利用して３次元測定機を校正する方法では、高コストであるのに関わらず、校正精度が数μｍ程度であるという問題がある。このため、ブロックゲージやトラッキング装置を利用して３次元測定機を校正する場合よりも校正精度を高くするためには、３次元測定機の測定空間内の任意の空間位置の３次元座標を高精度に測定する必要がある。

また、従来の３次元座標測定機においては、スケールは移動コラムに付近に埋め込まれている。一方、測定対象のワークは移動コラムから離れた定盤上に置く。そのため、スケール部と測定部が離れた位置に存在し、アッベの原理に基づいた正確な寸法を測定することはできない。装置の真直精度がワーク測定精度に大きく影響してしまう。

さらに、空間的な３次元座標を測定する上で、各部材の熱膨張や歪などが測定精度に大きく影響する。このため、従来の３次元座標測定機において測定精度を確保するためには、剛性もさることながら、その運動精度を考慮して設計せねばならず、大きい装置になるほか、高額な装置になっていた。

本発明の目的は、アッベの原理に基づいた任意の空間位置の３次元座標を高精度かつ高速に測定することができる産業用非接触３次元座標測定装置及び方法、並びにこの産業用非接触３次元座標測定装置を備える校正装置を提供することにある。

本発明の目的を達成するための３次元座標測定装置は、任意の空間位置にセットされた測定対象物と、等しい周波数間隔で並んだ複数の周波数成分を有する光コムを出射する光周波数コム光源と、光周波数コム光源から出射された光コムを参照光と測距光とに分割する光分割部と、光分割部にて分割された測距光の入出射を行う少なくとも３個以上の光入出射部であって、互いに異なる空間座標位置から測定対象物を含む空間に向けて測距光を発散出射し、かつ測定対象物にて正反射された測距光の正反射測距光が入射する光入出射部と、光分割部にて分割された参照光と、光入出射部ごとに得られる正反射測距光との光干渉信号を検出する光検出部と、光検出部の検出結果に基づき、測定対象物と個々の光入出射部との間の距離をそれぞれ算出する距離算出部と、距離算出部の算出結果に基づき、特定の基準位置を原点とした場合における測定対象物の３次元座標を算出する位置座標算出部と、を備える。

本発明の３次元座標測定装置によれば、パルス干渉測長技術により測定空間内の任意空間の測定対象物（対象ワークともいう）そのものに測距するための光コムを発散出射することで、測定対象物までの距離を正確に測定することができる。その結果、３方向からの位置の距離測定から、測定対象物の３次元座標をナノメートルのオーダで精密に測定することができる。

また、本発明の３次元座標測定装置による測定は、測定対象物そのものに、距離を測定するための光コムを当てて、測定対象物までの距離を直接測定する。そのため、測定のプローブ部（この場合は光コムの光線がプローブになる）と測定のスケールとが、原理上、同軸上に存在することになり、アッベの原理に従った測定となる。

また、本発明の３次元座標測定装置の構成の場合、従来の３次元座標測定機によれば、スケールから離れた地点の校正球の位置を測定し、座標の校正を行っていた。しかし、こうした校正は、構成部材の環境の温度変化による熱膨張、各部の真直精度、剛性、運動精度などによって、必ずしも再現するものではなく、その時々で変化する。また、熱膨張もバイメタル効果などでアームが反る場合は、単純にずれを予測して補正することもできない。

それに対して、本発明の３次元座標測定装置の場合、直接測定対象物に光コムを当てて測定するので、構成部材の温度変化による熱膨張や真直精度、剛性、運動精度とは関係なく、直接距離そのものを測定できる。そのため、かえって遠い位置に測定対象物があった方が、正確に３次元座標位置を割り出すことが可能となり、３次元座標測定装置の剛性、運動精度などにまったく影響されることなく絶対的な位置の割り出しを行うことができる。

また、従来の３次元座標測定装置では、ＸＹＺのそれぞれの座標を測定するために、先端のプローブを測定対象物が存在するＸ，Ｙ，Ｚの位置まで移動しなければならなかった。本発明の３次元座標測定装置の構成の場合、同一光源からの光コムをスイッチの切り替えだけによって３方向から瞬時に測定できるため、測定速度が非常に速くできる。

さらに、従来の３次元座標測定装置では、移動体（プローブ）がＸ，Ｙ，Ｚの位置まで移動するにも、移動体の運動精度が非常に重要となり、ピッチング誤差、ヨーイング誤差、ローリング誤差といった様々な運動誤差が、測定精度に影響していた。本発明の３次元座標測定装置の測定では、こうしたプローブを移動させるための移動機構の運動誤差も存在しない。

その結果、ブロックゲージ等或いはトラッキング装置を用いて３次元測定機の校正を行う場合よりも、高精度かつ短時間に３次元測定機を校正することができる。また、光源として光周波数コム光源を用いることにより、光入出射部から出射される発散光をコリメータ等で平行光にしたりあるいは測距光を走査したりしなくとも、各光入出射部に正反射測距光だけを入射させることができる。その結果、任意空間の３次元座標を精密に測定することができる。

光入出射部は、光ファイバケーブルの先端部であることが好ましい。これにより、測定対象物を含む空間に向けて測距光を発散出射することができる。

測定対象物は球形状を有していることが好ましい。これにより、測定対象物の形状に起因する距離算出結果及び位置座標算出結果の誤差を抑えることができる。

測定対象物の表面に粗面化処理が施されていることが好ましい。これにより、測定対象物にて正反射される測距光の正反射測距光だけを光入出射部に入射させることができる。

光周波数コム光源と光分割部との間には、光コムの周波数間隔をｍ（ｍは任意の整数）倍するエタロンが設けられていることが好ましい。これにより、空間位置を細かく測定することができる。また、光コムの周波数間隔を広げることができるので、光コムの櫛の次数を容易に見つけることができるようになり、光コムを用いた３次元座標の測定を高精度かつ短時間に行うことができる。

光周波数コム光源と光分割部との間には、ｍの値が異なる複数種類のエタロンが設けられており、光周波数コム光源及び光分割部と接続するエタロンの種類を選択するエタロン選択部を備えることが好ましい。これにより、大きな測定対象物の測定や空間位置の細かい測定を可能にすることができる。

本発明の目的を達成するための校正装置は、各請求項のいずれか１項に記載の３次元座標測定装置であって、３次元測定機の測定空間内の任意の空間位置にセットされた測定対象物を備える３次元座標測定装置と、位置座標算出部が算出した測定対象物の３次元座標と、３次元測定機が測定対象物を測定して得られた測定対象物の３次元座標とを比較して、３次元測定機の校正を行う校正制御部と、を備える。

本発明の目的を達成するための３次元座標測定方法は、任意の空間位置に測定対象物をセットするセットステップと、光周波数コム光源から、等しい周波数間隔で並んだ複数の周波数成分を有する光コムを出射する出射ステップと、光周波数コム光源から出射された光コムを参照光と測距光とに分割する光分割ステップと、光分割ステップで分割された測距光を、少なくとも３個以上の光入出射部により互いに異なる空間座標位置から測定対象物を含む空間に向けて発散出射させ、かつ測定対象物にて正反射された測距光の正反射測距光をそれぞれ光入出射部に入射させる光入出射ステップと、光分割ステップで分割された参照光と、光入出射部ごとに得られる正反射測距光との光干渉信号を検出する光検出ステップと、光検出ステップの検出結果に基づき、測定対象物と個々の光入出射部との間の距離をそれぞれ算出する距離算出ステップと、距離算出ステップの算出結果に基づき、特定の基準位置を原点とした場合における測定対象物の３次元座標を算出する位置座標算出ステップと、を有する。

本発明の３次元座標測定装置及び方法、並びに校正装置は、任意の空間位置の３次元座標を高精度かつ高速に測定することができる。

３次元測定機の校正に用いられる３次元座標測定装置の概略図である。 ３次元座標測定装置の概略図である。 光スイッチ及び光ファイバケーブルの拡大図である。 正反射測距光をファイバ先端部に入射させる反射鏡の拡大図である。 位置座標検出部及び３次元測定機のコントローラの機能ブロック図である。 位置座標算出部による反射鏡の３次元座標の算出を説明するための説明図である。 様々な方向から反射鏡（測定対象物）に向けて光を出射する例を示した概略図である。 ３次元座標測定装置を用いた３次元測定機の校正処理の流れを示したフローチャートである。 エタロンを有する他実施形態の３次元座標測定装置の概略図である。 複数種類のエタロンを有する他実施形態の３次元座標測定装置の概略図である。 ３次元測定機の遠隔校正を説明するための説明図である。

＜全体構成＞
図１は、３次元測定機９と、この３次元測定機９の校正に用いられる３次元座標測定装置１０の概略図を示している。３次元測定機９は、測定機本体９Ａと、３次元測定機本体９Ａの駆動制御を行うコントローラ９Ｂと、を備えている。

測定機本体９Ａは、大別して、測定ステージ１２と、プローブ１３と、駆動機構１４とを備えている。測定ステージ１２には、測定対象となる測定対象物がセットされる。プローブ１３は、一定の範囲内で移動可能であり、測定対象物に接触する球状の測定子を先端に有する棒状のスタイラスを備えている。プローブ１３としては、例えば、測定対象物に接触したときにトリガ信号を出力するタッチトリガプローブなどの公知の各種プローブが用いられる。

駆動機構１４は、プローブ１３の基端を保持するとともに、このプローブ１３をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各方向に駆動する。

コントローラ９Ｂは、駆動機構１４を制御して測定ステージ１２上の測定空間内にセットされた測定対象物上の各測定点にプローブ１３を移動させる。また、コントローラ９Ｂは、プローブ１３から入力されるトリガ信号と駆動機構１４の移動量とに基づいて、所定の基準位置に対する各測定点の３次元座標を測定する。これにより、測定対象物の寸法や表面形状等が測定される。

３次元座標測定装置１０は、本発明の測定対象物に相当する反射鏡１６と、３次元座標測定装置本体１７と、を備える。なお、３次元座標測定装置１０は、後述の３次元測定機９の校正制御部５８（図５参照）とともに本発明の校正装置を構成することにより、３次元測定機９の校正を行う。

反射鏡１６は、測定ステージ１２上の測定空間内の任意の空間位置にセットされる。この反射鏡１６は、球形状を有しており、必要に応じてその表面には粗面化処理が施されている。反射鏡１６の表面に粗面化処理を施すことにより、詳しくは後述するが、反射鏡１６にて反射される反射光のうちで正反射光だけを精度よく検出することができる。

３次元座標測定装置本体１７は、所定の基準位置（例えば３次元測定機９の原点）を原点とした場合における反射鏡１６の３次元座標を測定する。

＜３次元座標測定装置本体の構成の概略＞
図２は、３次元座標測定装置本体１７の構成を示している。３次元座標測定装置本体１７は、大別して光周波数コム光源２０、光アンプ２１、スプリッタ（光分割部）２２、第１光路２３、第２光路２４、ミキサ２５、光検出部２６、位置座標検出部２７、及びこれら各部を接続する光ファイバケーブル２８（図中の二重線で表示）並びに光ファイバケーブル２８を接続するコネクタ２９を備えている。

光周波数コム光源２０は、反射鏡１６の３次元座標の測定に使用する光コム（光周波数コムともいう）３１を出射する。光コム３１は、周波数領域において周波数が等間隔になるような周波数成分を有する光である。この光周波数コム光源２０としては、例えばフェムト秒モード同期ファイバレーザでは、エリビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ）で形成されたリング共振器をレーザダイオードで駆動する構成のレーザ発振器などを用いることができる。なお、光周波数コム光源２０は、少なくとも反射鏡１６の３次元座標測定時（３次元測定機９の校正時）には光コム３１を常時出射する。光周波数コム光源２０から出射された光コム３１は、光ファイバケーブル２８を介して光アンプ２１に入力される。

光アンプ２１は、光周波数コム光源２０から入力された光コム３１を増幅した後、この光コム３１をスプリッタ２２に向けて出力する。

スプリッタ２２は、光アンプ２１と、第１光路２３及び第２光路２４とに接続している。スプリッタ２２は、光アンプ２１から入力された光コム３１を参照光３５と測距光３６とに分割して、参照光３５を第１光路２３に出力するとともに、測距光３６を第２光路２４に出力する。なお、スプリッタ２２は、例えば参照光３５と測距光３６との割合が５：９５となるように光コム３１を分割する。

第１光路２３には、第１コリメータ３８、プリズムリフレクタ３９、コーナリフレクタ４０、走査ステージ（移動ステージともいう）４１、及び第２コリメータ４２が設けられている。

第１コリメータ３８は、スプリッタ２２から入力される参照光３５を平行光線としてプリズムリフレクタ３９に向けて出射する。

プリズムリフレクタ３９は、第１コリメータ３８から入力された参照光３５をコーナリフレクタ４０に向けて反射するとともに、このコーナリフレクタ４０から入射する参照光３５を第２コリメータ４２に向けて反射する。

コーナリフレクタ４０は、プリズムリフレクタ３９により反射された参照光３５の光路上に配置されている。このコーナリフレクタ４０は、プリズムリフレクタ３９から入射した参照光３５を再びプリズムリフレクタ３９に向けて反射する。

走査ステージ４１は、コーナリフレクタ４０に取り付けられている。この走査ステージ４１は、プリズムリフレクタ３９により反射された参照光３５の光路に平行な方向に沿ってコーナリフレクタ４０を往復動させる。例えば、走査ステージ４１は、コーナリフレクタ４０を数ｍｍ〜数ｃｍのストロークで往復動させる。これにより、後述する参照光３５と測距光３６との光干渉信号５０の振幅を時間的に変動させることができる。時間的に変動する光干渉信号５０の測定データを積算することで、測定データの精度を高めることができる。

第２コリメータ４２は、プリズムリフレクタ３９から入射する参照光３５を集光して光ファイバケーブル２８に出力する。この第２コリメータ４２は、図示しない移動機構により、プリズムリフレクタ３９から入射する参照光３５の光路に平行な方向に移動可能になっている。これにより、第１光路２３における参照光３５の光路長を可変することができる。そして、第２コリメータ４２から出力された参照光３５はミキサ２５に入力される。

なお、第１光路２３には、図示は省略するが、音響光学変調器（ＡＯＭ）などの周波数シフタが設けられており、参照光３５の周波数がシフトされる。これにより、参照光３５と測距光３６との間に周波数差が生じ、両者を干渉させることで周波数差に応じたビート信号が得られる。

第２光路２４には、サーキュレータ４４及び光スイッチ４５が設けられている。サーキュレータ４４は、スプリッタ２２から入力される測距光３６を光スイッチ４５に向けて出力するとともに、この光スイッチ４５からの戻り光（後述の正反射測距光３６ａ）をミキサ２５に向けて出力する。

光スイッチ４５は、例えば３次元測定機９に設けられている。この光スイッチ４５には、前述のサーキュレータ４４と接続する光ファイバケーブル２８に加えて、少なくとも３本以上（本実施形態では４本）の光ファイバケーブル４７が接続されている。光スイッチ４５は、スイッチ制御部４８の制御の下、光ファイバケーブル２８に接続する光ファイバケーブル４７の切り替えを行うものであり、４本の光ファイバケーブル４７を１本ずつ順番に光ファイバケーブル２８に接続する。なお、光スイッチ４５及び光ファイバケーブル４７は、３次元測定機９の外部に設けられていてもよい。

光スイッチ４５及び光ファイバケーブル４７の拡大図である図３において、４本の光ファイバケーブル４７は、各々のファイバ先端部（光入出射部）４７ａを３次元測定機９の測定空間内に向けた状態で光スイッチ４５に接続されている。そして、各光ファイバケーブル４７は、光スイッチ４５により光ファイバケーブル２８と接続された場合に、反射鏡１６を含む測定空間内に向けて測距光３６を発散出射する。これにより、各ファイバ先端部４７ａから円錐状に広がる発散光（図中の１点鎖線で表示）となる測距光３６が測定空間内に出射される。すなわち、互いに異なる空間座標位置から測定空間内に向けて測距光３６が出射される。

また、各ファイバ先端部４７ａにはそれぞれ測定空間内の反射鏡１６にて正反射された測距光３６の正反射測距光３６ａが入射する。ここで、測距光３６は光コム３１でありＳＮ比が高く、さらに前述したように反射鏡１６は粗面化処理されているため、個々のファイバ先端部４７ａには正反射測距光３６ａだけが入射する。

反射鏡１６の拡大図を示す図４（Ａ），（Ｂ）において、測距光３６のＳＮ比が高いので、反射鏡１６に幅の広い測距光３６（図中の２点鎖線で表示）が入射すると、図中の（Ａ），（Ｂ）に示すように測距光３６が異なっている場合でも正反射測距光３６ａだけがファイバ先端部４７ａに入射する。なお、図４では説明の煩雑化を防止するため、測距光３６を平行光束として図示している。

このように測距光３６として光コム３１を用いた場合には、各ファイバ先端部４７ａから出射される測距光３６（発散光）をコリメータ等で平行光にしなくとも、各ファイバ先端部４７ａに正反射測距光３６ａだけを精度よく入射させることができる。換言すると、光源として光周波数コム光源２０以外を用いた場合には、ファイバ先端部４７ａの前方にコリメータ等を別途配置する必要があるが、光源として光周波数コム光源２０を用いることによりコリメータ等の配置が不要になる。また、測距光３６として発散光を出射しているので、平行光を照射する場合とは異なり反射鏡１６に確実に測距光３６を照射するためにファイバ先端部４７ａや反射鏡１６の配置を厳密に規定する必要がなく、これらの配置の自由度が上がる。

図３に戻って、各ファイバ先端部４７ａにそれぞれ入射した正反射測距光３６ａは、光ファイバケーブル４７、光スイッチ４５、サーキュレータ４４などを介してミキサ２５に入力される。

ミキサ２５は例えば光ミキサが用いられる。このミキサ２５は、第１光路２３から入力される参照光３５と、第２光路２４から入力される正反射測距光３６ａとを例えば光学的に乗算するなどの方法で混合して、ファイバ先端部４７ａごとに参照光３５と正反射測距光３６ａとの光干渉信号５０を生成する。また、参照光３５と正反射測距光３６ａとは周波数が近接する周波数成分を含むため、光干渉信号５０は、反射鏡１６までの距離に依存する位相を検出可能な周波数領域にビートダウンされる。そして、ミキサ２５は、ファイバ先端部４７ａごとの光干渉信号５０を光検出部２６へ出力する。

光検出部２６は、ミキサ２５から入力されたファイバ先端部４７ａごとの光干渉信号５０を受光して電気信号であるビート信号５０ａに変換し、ファイバ先端部４７ａごとのビート信号５０ａをそれぞれ位置座標検出部２７へ出力する。

位置座標検出部２７は、光検出部２６から入力されたファイバ先端部４７ａごとのビート信号５０ａに基づき、公知のパルス干渉位置計測技術を利用して各ファイバ先端部４７ａから反射鏡１６までの距離を算出する。この距離算出の基本的な原理は、光検出部２６に入射する正反射測距光３６ａの位相が反射鏡１６までの距離に依存しているというものである。そして、位置座標検出部２７は、これら距離算出結果に基づき反射鏡１６の３次元座標を算出する。以下、各ファイバ先端部４７ａから反射鏡１６までの距離算出、並びに反射鏡１６の３次元座標算出の一例について説明する。

図５は、位置座標検出部２７及び前述のコントローラ９Ｂの構成の一例を示す機能ブロック図である。位置座標検出部２７は、干渉縞パターン検出部５２、距離算出部５３、及び位置座標算出部５４を有している。

干渉縞パターン検出部５２としては、例えばロックインアンプが用いられる。この干渉縞パターン検出部５２は、前述の光検出部２６から入力されたビート信号５０ａと、例えば光周波数コム光源２０から入力される参照信号との干渉縞パターンを検出し、干渉縞パターンの検出結果を距離算出部５３へ出力する。

ここで干渉縞パターン検出部５２に入力される参照信号の周波数は、参照光３５及び測距光３６（正反射測距光３６ａ）の、周波数領域において近接した周波数成分の周波数差に対応する周波数に設定されている。これはビート信号５０ａが参照光３５及び正反射測距光３６ａを重畳した光干渉信号５０の光強度に対応する信号レベルを有する電気信号であるので、結果としてビート信号５０ａは、参照光３５と正反射測距光３６ａの周波数成分のうち、周波数領域において近接している周波数成分の周波数差に対応する周波数の周波数成分を有しているからである。従って、参照信号の周波数を、参照光３５と正反射測距光３６ａの、周波数領域において近接した周波数成分の周波数差に対応する周波数に設定した上で、ビート信号５０ａと参照信号との干渉縞パターンを干渉縞パターン５２で検出すれば、この干渉縞パターンに基づき各ファイバ先端部４７ａから反射鏡１６までの距離が求められる。なお、参照信号の周波数の設定の詳細については特開２０１３−１７８１６９号を参照されたい。

距離算出部５３は、干渉縞パターン検出部５２から入力された干渉縞パターンの検出結果に基づき、各ファイバ先端部４７ａから反射鏡１６までの距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４（図６参照）を算出し、各距離Ｌ１〜Ｌ４の算出結果を位置座標算出部５４へ出力する。なお、干渉縞パターンから各距離Ｌ１〜Ｌ４を算出する方法についても公知であるので、ここでは具体的な説明は省略する。

位置座標算出部５４による反射鏡１６の３次元座標の算出方法を示した図６において、各ファイバ先端部４７ａの位置及びこれらの先端面の向き、並びに反射鏡１６の径は既知である。このため、互いに異なる空間座標位置にある各ファイバ先端部４７ａから反射鏡１６までの距離Ｌ１〜Ｌ４を示す線分（図中の１点鎖線で表示）の交点、すなわち、各線分が通る反射鏡１６の４つの表面（球面）の交点が反射鏡１６の位置となる。特に、本実施形態では反射鏡１６が球形状を有しているので、反射鏡１６の形状に起因する距離Ｌ１〜Ｌ４の誤差を抑えることができる。なお、反射鏡１６の真球度が高いほど反射鏡１６の形状に起因する距離Ｌ１〜Ｌ４の誤差は小さくなる。

なお、３次元座標の算出における各ファイバ先端部４７ａの向きは、一列に並んだ方向にするのではなく、３次元測定機９を側面側から見た図７（Ａ）、及び上面側から見た図７（Ｂ）に示すように様々な方向から、測距光３６を出射して反射鏡１６（測定対象物）に当てるほうが３次元座標の精度は向上する。

反射鏡１６（測定対象物）の３次元座標の位置の割り出しとして、ファイバ先端部４７ａの出射口を中心として、一定の距離で描かれる球表面に反射鏡１６（測定対象物）が存在すると設定される。それぞれ独立した測距光３６の出射口を中心とした球表面が交わる点が反射鏡１６（測定対象物）の３次元座標値となるが、この出射口はできる限り同一平面や互いに近傍から出射されず、３方向独立した方向からの測距光３６であれば３次元座標の精度は向上する。例として、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向で独立した方向から測距光３６を反射鏡１６（測定対象物）に当てることで、反射鏡１６（測定対象物）までの距離計測による真の座標値の誤差は小さくなる。

位置座標算出部５４は、距離Ｌ１〜Ｌ４の算出結果と、各ファイバ先端部４７ａ及び反射鏡１６に関する既知情報とに基づき、特定の基準位置を原点Ｏとした場合における反射鏡１６の３次元座標Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する。なお、ここでいう特定の基準位置とは、例えば３次元測定機９の測定基準位置（原点）である。位置座標算出部５４は、反射鏡１６の３次元座標Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）の算出結果Ｃ１（図５参照）を、３次元測定機９のコントローラ９Ｂへ出力する。

＜３次元測定機の校正＞
図５に戻って、３次元測定機９のコントローラ９Ｂには、測定制御部５７と校正制御部５８とが設けられている。

測定制御部５７は、前述の測定機本体９Ａの作動を制御するとともに、測定機本体９Ａから測定対象物の各測定点の３次元座標の測定結果を取得する。また、測定制御部５７は、３次元測定機９の校正が開始された際には、前述の３次元座標測定装置本体１７による反射鏡１６の３次元座標Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）と前後して、測定機本体９Ａを作動して反射鏡１６の３次元座標Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）の測定を行う。そして、測定制御部５７は、反射鏡１６の３次元座標Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）の測定値Ｃ２を校正制御部５８へ出力する。

校正制御部５８は、３次元座標測定装置本体１７から入力される３次元座標Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）の算出結果Ｃ１と、測定制御部５７から入力される３次元座標Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）の測定値Ｃ２と比較して、測定値Ｃ２が算出結果Ｃ１と一致するような校正値Ｃ３を算出する。そして、校正制御部５８は、校正値Ｃ３を測定制御部５７へ出力する。これにより、測定制御部５７は、測定機本体９Ａから取得した測定対象物の各測定点の３次元座標の測定結果を、校正値Ｃ３に基づき修正することができる。なお、校正制御部５８は、３次元測定機９内に設ける代わりに、３次元座標測定装置本体１７内に設けてもよい。

以上で、３次元座標測定装置１０を用いた３次元測定機９の校正が完了する。

＜３次元座標測定装置の作用＞
次に、図８に示すフローチャートを用いて上記構成の３次元座標測定装置１０を用いた３次元測定機９の校正の手順について説明する。最初に、検査員が３次元測定機９の測定空間内の任意の空間位置に反射鏡１６をセットする（ステップＳ１、セットステップ）。また、検査員が図示しない操作部を介して３次元座標の測定開始操作を行うと、光周波数コム光源２０から光コム３１が出射される（ステップＳ２、出射ステップ）。なお、光周波数コム光源２０から光コム３１を常時出射させてもよい。

光周波数コム光源２０から出射された光コム３１は、光アンプ２１で増幅された後、スプリッタ２２により参照光３５と測距光３６に分割される（ステップＳ３、光分割ステップ）。参照光３５は、スプリッタ２２から第１光路２３に出力された後、第１コリメータ３８などを経てミキサ２５に入力される。

一方、測距光３６は、スプリッタ２２から第２光路２４に出力された後、サーキュレータ４４を経て光スイッチ４５に入力される。そして、スイッチ制御部４８の制御の下で光スイッチ４５の切り替えが行われるごとに、各ファイバ先端部４７ａから順番に測距光３６が測定空間内に円錐状に発散出射される。そして、各ファイバ先端部４７ａからそれぞれ発散出射された測距光３６が測定空間内の反射鏡１６にて正反射されて、正反射測距光３６ａが各ファイバ先端部４７ａにそれぞれ入射する（ステップＳ４、光入出射ステップ）。各ファイバ先端部４７ａにそれぞれ入射した正反射測距光３６ａは、光ファイバケーブル４７、光スイッチ４５、サーキュレータ４４などを経てミキサ２５に入力される。

参照光３５と、ファイバ先端部４７ａごとの正反射測距光３６ａとがミキサ２５にて順次に混合されて、ファイバ先端部４７ａごとの光干渉信号５０がミキサ２５から光検出部２６に入力される。そして、ファイバ先端部４７ａごとの光干渉信号５０が光検出部２６にてビート信号５０ａに順次に変換される（ステップＳ５、光検出ステップ）。光検出部２６は、ファイバ先端部４７ａごとのビート信号５０ａを干渉縞パターン検出部５２へ順次に出力する。

干渉縞パターン検出部５２は、ファイバ先端部４７ａごとのビート信号５０ａと前述の参照信号との干渉縞パターンを算出して、各干渉縞パターンの検出結果を距離算出部５３へ順次に出力する。そして、距離算出部５３は、干渉縞パターン検出部５２から入力された各干渉縞パターンの検出結果に基づき、各ファイバ先端部４７ａから反射鏡１６までの距離Ｌ１〜Ｌ４を算出し、各距離Ｌ１〜Ｌ４の算出結果を位置座標算出部５４へ出力する（ステップＳ６、距離算出ステップ）。

位置座標算出部５４は、距離Ｌ１〜Ｌ４の算出結果と、各ファイバ先端部４７ａ及び反射鏡１６に関する既知情報とに基づき、反射鏡１６の３次元座標Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する（ステップＳ７、位置座標算出ステップ）。そして、位置座標算出部５４は、３次元座標Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）の算出結果Ｃ１を校正制御部５８へ出力する。

３次元座標測定装置１０による３次元座標Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）の測定と前後して、３次元測定機９の測定制御部５７の制御の下、測定機本体９Ａによる反射鏡１６の３次元座標Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）の実測が行われ、３次元座標Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）の測定値Ｃ２が校正制御部５８へ出力される。

校正制御部５８は、３次元座標Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）の算出結果Ｃ１と測定値Ｃ２とを比較することにより校正値Ｃ３を算出して、この校正値Ｃ３を測定制御部５７へ出力する。以上で、３次元測定機９の校正が完了する（ステップＳ８）。

＜本発明の効果＞
以上のように、本発明の３次元座標測定装置１０では、３次元測定機９の測定空間内にセットされた反射鏡１６と、光周波数コム光源２０を備える３次元座標測定装置本体１７とを用いて、パルス干渉測長技術により測定空間内の任意空間（反射鏡１６）の３次元座標をナノメートルのオーダで精密に測定することができる。その結果、ブロックゲージ等或いはトラッキング装置を用いて３次元測定機９の校正を行う場合よりも、高精度かつ短時間に３次元測定機９を校正することができる。

また、本発明の３次元座標測定装置１０では、測定対象物である反射鏡１６そのものに距離を測定するための光である測距光３６（光コム３１）を当てて、反射鏡１６までの距離を直接測定するため、アッベの原理に従った測定（測定部とスケール方向が同軸上）となる。また、３次元測定機９の構成部材の温度変化による熱膨張や真直精度、剛性、運動精度とは関係なく直接距離そのものを測定できる。さらに、反射鏡１６が遠い位置にあった方が、正確に３次元座標位置を割り出すことが可能となり、３次元測定機９の剛性、運動精度などにまったく影響されることなく絶対的な位置の割り出しを行うことができる。また、同一光源である光周波数コム光源２０からの測距光３６（光コム３１）を光スイッチ４５の切り替えだけによって３方向から瞬時に測定できるため、測定速度が非常に速くできる。また、従来の３次元座標測定装置の測定のように、プローブを移動させるための移動機構の運動誤差も存在しない。

さらに、本発明の３次元座標測定装置１０では、光源として光周波数コム光源２０を用いることにより、各ファイバ先端部４７ａから出射される測距光３６（発散光）をコリメータ等で平行光にしたりあるいは測距光３６を走査したりしなくとも、各ファイバ先端部４７ａに正反射測距光３６ａだけを入射させることができる。その結果、３次元座標測定装置１０を低コストに構成することができる。また、各ファイバ先端部４７ａから出射される測距光３６を平行光にする必要がないので、各ファイバ先端部４７ａや反射鏡１６の配置の自由度を上げることができる。

＜３次元座標測定装置の他実施形態＞
次に、図９を用いて本発明の他実施形態の３次元座標測定装置１０Ａについて説明を行う。３次元座標測定装置１０Ａでは、光周波数コム光源２０とスプリッタ２２との間、より具体的には光周波数コム光源２０と光アンプ２１との間にエタロン６０が設けられている。なお、３次元座標測定装置１０Ａは、エタロン６０を備える点を除けば、上記の３次元座標測定装置１０と基本的に同じ構成であり、３次元座標測定装置１０と機能・構成上同一のものについては同一符号を付してその説明は省略する。

エタロン６０は、例えばファブリー・ペロー・エタロンが用いられる。エタロン６０は、光コム３１の周波数間隔をｍ（ｍは任意の整数）倍する。これにより、光コム３１の周波数間隔を適宜広げることができる。光周波数コム光源２０から出射される光コム３１の周波数間隔は一般的には１００ＭＨｚ、２５０ＭＨｚであるが、エタロン６０を用いることにより光コム３１の周波数間隔を例えば１５ＧＨｚ程度に広げることができる。このように光コム３１の周波数間隔を広げることにより空間位置を細かく測定することができる。ここで、光コム３１は参照標準であるので主間隔（例えば１ｍ、１．５ｍ、・・・）だけを測定し、空間位置の詳細は例えば３次元測定機に内蔵のデジタルスケールにより測定してもよい。また、エタロン６０により光コム３１の櫛（コム）の本数を間引くことで、光コム３１の櫛の次数を容易に見つけられるようになり、光コム３１を用いた測定をより高精度かつ短時間に行うことができる。

なお、周波数間隔１ＧＨｚのエタロンのフィネスの制作は容易であるが周波数間隔１５ＧＨｚに対応するエタロンのフィネスの制作は困難である。このため、例えば、エタロン６０としてエタロン１とエタロン２とが直列接続（３個以上でも可）されたものを用いて、光周波数コム光源２０から出射される周波数間隔１００ＭＨｚの光コム３１の周波数間隔を、エタロン１にて１ＧＨｚに広げた後にエタロン２にて１５ＧＨｚに広げてもよい。ここで「フィネス」とはエタロンの特性を示す値であり、Δｆ／ｆｒで表される［Δｆ：フリースペクトラルレンジ（ＦＳＲ）、ｆｒ：光コムの繰り返し周波数］。

また、図１０に示す３次元座標測定装置１０Ｂのように、前述のｍの値が異なる複数種類のエタロン６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃ（４種類以上でも可）を並列に設けて、光スイッチ（エタロン選択部）６２により光周波数コム光源２０及び光アンプ２１と接続するエタロン６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃの種類を選択可能にしてもよい。なお、光スイッチ６２の切り替えはスイッチ制御部６３により制御される。スイッチ制御部６３は、ユーザからの切り替え指示の入力に応じて光スイッチ６２を切り替える。このように複数種類のエタロン６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃを選択可能にすることで、大きな測定対象物の測定や空間位置の細かい測定を可能にすることができる。

＜その他＞
上記実施形態では、任意の空間位置にセットされた反射鏡１６の３次元座標を測定しているが、例えば反射鏡１６の代わりに任意の空間位置にセットされたキャッツアイの３次元座標を測定してもよい。また反射鏡１６やキャッツアイの代わりに各種の測定対象物を配置してもよい。

上記実施形態では、光スイッチ４５により測距光３６を出射しかつ正反射測距光３６ａが入射するファイバ先端部４７ａを切り替えているが、例えば、各ファイバ先端部４７ａからそれぞれ出射される測距光３６を順次に遅延させてもよい。

上記実施形態では、測距光３６を発散出射しかつ正反射測距光３６ａが入射する本発明の光入出射部としてファイバ先端部４７ａを例に挙げたが、ファイバ先端部４７ａ以外の各種の光入出射部を用いてもよい。また、上記実施形態では、ファイバ先端部４７ａを４本設けているが、障害物等によりファイバ先端部４７ａから出射される測距光３６が遮られることを考慮して、ファイバ先端部４７ａを５本以上設けてもよい。これにより、反射鏡１６に対して少なくとも３方向から確実に測距光３６を照射することができる。

更に、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の精神を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。また、本発明は産業用以外の３次元座標測定装置及び方法、並びにこの３次元座標測定装置を備える校正装置にも適用可能である。

さらに、図１１に示すように、３次元測定機９及び３次元座標測定装置１０を全て同一箇所に配置する必要はなく、例えば、３次元座標測定装置１０の３次元座標測定装置本体１７は所定の標準供給機関や指定校正機関、又はメーカの校正部門などの測定室Ｒ１に設置し、この３次元座標測定装置本体１７と別の場所（例えば数ｋｍ離れた位置）にある工場Ｒ２などに配置された３次元測定機９（光スイッチ４５、反射鏡１６）とを光通信接続して、工場Ｒ２にある３次元測定機９を校正する場合にも本発明を適用可能である。測定光路の光ファイバをＬ＝数ｋｍにわたって延長することにより、異なる場所・建物に存在する物体を、測定室から測定することができる。なお、参照光路にもＬと同じ長さの光ファイバを設けることにより、時間的コヒーレンス干渉（パルス干渉）が実現できる。従って、遠隔測定による遠隔校正が可能である。

９…３次元測定機，１０，１０Ａ，１０Ｂ…３次元座標測定装置，１６…反射鏡，１７…３次元座標測定装置本体，２０…光周波数コム光源，２２…スプリッタ，２３…第１光路，２４…第２光路，２６…光検出部，２７…位置座標検出部，３５…参照光，３６…測距光，３６ａ…正反射測距光，４７…光ファイバケーブル，４７ａ…ファイバ先端部，５２…干渉縞パターン検出部，５３…距離算出部，５４…位置座標算出部

Claims (8)

1. 任意の空間位置にセットされた測定対象物と、
   等しい周波数間隔で並んだ複数の周波数成分を有する光コムを出射する光周波数コム光源と、
   前記光周波数コム光源から出射された前記光コムを参照光と測距光とに分割する光分割部と、
   前記光分割部にて分割された前記測距光の入出射を行う少なくとも３個以上の光入出射部であって、互いに異なる空間座標位置から前記測定対象物を含む空間に向けて前記測距光を発散出射し、かつ前記測定対象物にて正反射された当該測距光の正反射測距光が入射する光入出射部と、
   前記光分割部に対して個々の前記光入出射部を１つずつ順番に接続する光スイッチと、
   前記光分割部にて分割された前記参照光と、前記光入出射部ごとに得られる前記正反射測距光との光干渉信号を検出する光検出部と、
   前記光検出部の検出結果に基づき、前記測定対象物と個々の前記光入出射部との間の距離をそれぞれ算出する距離算出部と、
   前記距離算出部の算出結果と、前記光入出射部ごとの位置及び向きとに基づき、特定の基準位置を原点とした場合における前記測定対象物の３次元座標を算出する位置座標算出部と、
   を備え、
   前記測定対象物の表面に粗面化処理が施されている３次元座標測定装置。
2. 前記光入出射部は、光ファイバケーブルの先端部である請求項１記載の３次元座標測定装置。
3. 前記測定対象物は球形状を有している請求項１または２記載の３次元座標測定装置。
4. 前記光周波数コム光源と前記光分割部との間には、前記光コムの周波数間隔をｍ（ｍは任意の整数）倍するエタロンが設けられている請求項１から３のいずれか１項に記載の３次元座標測定装置。
5. 前記光周波数コム光源と前記光分割部との間には、前記ｍの値が異なる複数種類の前記エタロンが設けられており、
   前記光周波数コム光源及び前記光分割部と接続する前記エタロンの種類を選択するエタロン選択部を備える請求項４記載の３次元座標測定装置。
6. 任意の空間位置にセットされた測定対象物と、
   等しい周波数間隔で並んだ複数の周波数成分を有する光コムを出射する光周波数コム光源と、
   前記光周波数コム光源から出射された前記光コムを参照光と測距光とに分割する光分割部と、
   前記光分割部にて分割された前記測距光の入出射を行う少なくとも３個以上の光入出射部であって、互いに異なる空間座標位置から前記測定対象物を含む空間に向けて前記測距光を発散出射し、かつ前記測定対象物にて正反射された当該測距光の正反射測距光が入射する光入出射部と、
   前記光分割部にて分割された前記参照光と、前記光入出射部ごとに得られる前記正反射測距光との光干渉信号を検出する光検出部と、
   前記光検出部の検出結果に基づき、前記測定対象物と個々の前記光入出射部との間の距離をそれぞれ算出する距離算出部と、
   前記距離算出部の算出結果と、前記光入出射部ごとの位置及び向きとに基づき、特定の基準位置を原点とした場合における前記測定対象物の３次元座標を算出する位置座標算出部と、
   を備え、
   前記測定対象物は球形状を有し、且つ前記測定対象物の表面に粗面化処理が施されている３次元座標測定装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の３次元座標測定装置であって、３次元測定機の測定空間内の任意の空間位置にセットされた測定対象物を備える３次元座標測定装置と、
   前記位置座標算出部が算出した前記測定対象物の３次元座標と、前記３次元測定機が前記測定対象物を測定して得られた前記測定対象物の３次元座標とを比較して、前記３次元測定機の校正を行う校正制御部と、
   を備える校正装置。
8. 任意の空間位置に測定対象物であって且つ表面に粗面化処理が施されている測定対象物をセットするセットステップと、
   光周波数コム光源から、等しい周波数間隔で並んだ複数の周波数成分を有する光コムを出射する出射ステップと、
   前記光周波数コム光源から出射された前記光コムを光分割部により参照光と測距光とに分割する光分割ステップと、
   前記光分割ステップで分割された前記測距光を、少なくとも３個以上の光入出射部により互いに異なる空間座標位置から前記測定対象物を含む空間に向けて発散出射させ、かつ前記測定対象物にて正反射された当該測距光の正反射測距光をそれぞれ前記光入出射部に入射させる光入出射ステップと、
   前記光分割ステップで分割された前記参照光と、前記光入出射部ごとに得られる前記正反射測距光との光干渉信号を検出する光検出ステップと、
   前記光検出ステップの検出結果に基づき、前記測定対象物と個々の前記光入出射部との間の距離をそれぞれ算出する距離算出ステップと、
   前記距離算出ステップの算出結果と、前記光入出射部ごとの位置及び向きとに基づき、特定の基準位置を原点とした場合における前記測定対象物の３次元座標を算出する位置座標算出ステップと、
   を有し、
   前記光入出射ステップでは、光スイッチにより、前記光分割部に対して個々の前記光入出射部を１つずつ順番に接続する３次元座標測定方法。

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