书签分享收藏举报版权申诉 / 20

立即下载加入VIP,免费下载

当前位置：首页 > 物理 > 测量；测试 > 图像传感器、姿势检测器、接触探头以及多传感探头.pdf

图像传感器、姿势检测器、接触探头以及多传感探头.pdf

上传人：54

文档编号：4834090

上传时间：2018-11-16

格式：PDF

页数：20

大小：2.38MB

《图像传感器、姿势检测器、接触探头以及多传感探头.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《图像传感器、姿势检测器、接触探头以及多传感探头.pdf（20页完整版）》请在专利查询网上搜索。

1、(10)申请公布号 CN 103292686 A (43)申请公布日 2013.09.11 CN 103292686 A *CN103292686A* (21)申请号 201310003704.X (22)申请日 2013.01.06 2012-001412 2012.01.06 JP G01B 9/00(2006.01) G01B 11/03(2006.01) (71)申请人株式会社三丰地址日本神奈川县 (72)发明人日高和彦石川修弘 (74)专利代理机构北京林达刘知识产权代理事务所 ( 普通合伙 ) 11277 代理人刘新宇 (54) 发明名称图像传感器、姿势检测器、。

2、接触探头以及多传感探头 (57) 摘要本发明提供一种图像传感器、姿势检测器、接触探头以及多传感探头，该图像传感器是成为比以往的线阵图像传感器更简单的光学系统的结构并且能够进行高速检测的干涉条纹等条纹图像用的图像传感器。图像传感器(10)具备配置在受光面上的两个以上的直线状的像素列，根据各像素 (2) 的受光量对基于来自被照射体的反射光产生的有规则的条纹进行拍摄。像素列中的至少两个像素列 ( 线 (1)、线 (2) 配置为成大致 90 度的交角，获取投射于受光面的条纹中的以大致 90 度交叉的两个方向的线状条纹的像。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl.。

3、权利要求书 2 页说明书 11 页附图 6 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书2页说明书11页附图6页 (10)申请公布号 CN 103292686 A CN 103292686 A *CN103292686A* 1/2 页 2 1. 一种图像传感器，具备配置有两个以上的直线状的像素列的受光面，根据各像素的受光量对基于来自被照射体的反射光产生的有规则的条纹进行拍摄，该图像传感器的特征在于，上述像素列中的至少两个像素列配置为形成大致 90 度的交角，获取投射于上述受光面的条纹中的以大致 90 度交叉的两个方向的线状条纹的像。 2.。

4、根据权利要求 1 所述的图像传感器，其特征在于，还具备：信号读取单元，其从上述像素列的各像素读取与受光量相应的信号；以及信号处理单元，其根据读取出的信号计算出上述线状条纹的亮部或暗部的位置，其中，上述信号处理单元具有连接处理部，该连接处理部根据规定时间前后的上述亮部或暗部的位置的变化执行将上述两个方向的线状条纹的亮部之间或暗部之间相连接的处理，以估计平面的条纹图像。 3. 根据权利要求 1 所述的图像传感器，其特征在于，在上述至少两个像素列交叉的位置处配置有共有的像素。 4. 根据权利要求 3 所述的图像传感器，其特征在于，在上述共有的像素的周围配置有上。

5、述像素列的像素以外的多个像素。 5. 根据权利要求 1 所述的图像传感器，其特征在于，具备四个以上的上述直线状的像素列，沿着大致矩形形状的四边配置这些像素列中的四个像素列。 6. 一种姿势检测器，其特征在于，具备：根据权利要求 1 所述的图像传感器；以及干涉仪，其向形成于被照射体的反射面照射光，来将基于该反射光产生的干涉条纹投射到上述图像传感器，其中，根据上述图像传感器获取的两个方向的线状条纹的像的变化检测上述被照射体的姿势的变化。 7. 根据权利要求 6 所述的姿势检测器，其特征在于，上述干涉仪具有：光源，其射出可干涉光；分束器，其对来自上述光。

6、源的光进行分割；以及参考镜，其接收一部分分割光的照射，其中，照射上述被照射体的反射面的光是来自上述分束器的另一部分分割光，上述图像传感器拍摄由于来自上述被照射体的反射面的反射光与来自上述参考镜的反射光之间的干涉而产生的干涉条纹。 8. 一种姿势检测器，其特征在于，具备：根据权利要求 1 所述的图像传感器；以及图案投影单元，其将有规则的条纹图案投影到形成于被照射体的反射面，其中，上述图案投影单元具有：光源，其射出可干涉光；以及投影元件，其配置在上述光源与上述被照射体之间的光路上，接收可干涉光并将上述条纹图案投影到上述被照射体的反射面，其中，。

7、上述图像传感器设置于接收来自上述反射面的反射光的位置，权利要求书 CN 103292686 A 2 2/2 页 3 根据上述图像传感器获取的两个方向的线状条纹的像的变化检测上述被照射体的姿势的变化。 9. 一种接触探头，其特征在于，具备：根据权利要求 6 所述的姿势检测器；壳体，其内置上述姿势检测器；可动部，其构成为具有上述被照射体、与该被照射体一体地动作的触针以及触头，该触头安装在该触针的前端，与被测量物表面接近或抵接；以及支承部，其设置于上述壳体，支承该可动部使得上述可动部的姿势根据上述触头的接近或抵接而变化，其中，上述姿势检测器通。

8、过检测上述可动部的姿势的变化，来定量地检测上述触头受到来自被测量物表面的作用力时的该触头的三维坐标上的位移。 10. 一种多传感探头，在该多传感探头中，根据权利要求 9 所述的接触探头中的上述可动部设置成能够自由装卸于上述壳体，该多传感探头的特征在于，在从壳体卸下了上述可动部的状态下，在卸下前的上述可动部的上述反射面的位置处配置设置于其它的检测对象物的反射面，来检测该检测对象物的姿势的变化。权利要求书 CN 103292686 A 3 1/11 页 4 图像传感器、姿势检测器、接触探头以及多传感探头 0001 本申请要求 2012 年 1 月 6 日申请的日本。

9、专利申请 2012-001412 号的优先权，引入于此。技术领域 0002 本发明涉及一种拍摄条纹用的图像传感器，涉及一种能够成为比以往更简单的结构并且能够进行高速检测的图像传感器。另外，涉及一种使用图像传感器检测被照射体的姿势的姿势检测器。并且，涉及一种利用姿势检测器的接触探头和多传感探头。背景技术 0003 以往，作为光学检测被照射体的姿势的姿势检测器，已知一种使用干涉仪产生干涉条纹并通过摄像元件 ( 图像传感器 ) 检测该条纹的图像的姿势检测器。 0004 0005 说明使用一般的麦克尔逊型干涉仪的姿势检测器。通过分束器将来自激光光源的激光分割为参考光和测量光。

10、，使参考光照射至参考镜，使测量光照射至形成于被照射体的反射面。而且，通过分束器使来自参考镜的反射光与来自被照射体的反射光产生干涉，通过图像传感器获取所产生的干涉条纹。如果被照射体的姿势变化，则与此相应地拍摄到的干涉条纹图像也变化，因此，通过检测条纹图像的变化，可知被照射体的姿势变化。 0006 0007 在以往的用于姿势检测器的图像传感器中，对干涉条纹图像那样的二维图像进行拍摄，因此，一般使用 PSD( 光位置传感器： position sensor device)、面阵图像传感器等。 0008 前者的 PSD 具有能够进行高速检测的优点，但 PSD 是具。

11、有检测光量的重心值的方式的传感器。也就是说，适于光点状的光的检测，但并不适于干涉条纹那样的条纹的检测。因此，在检测被照射体的反射面的姿势 ( 位移、倾斜 ) 这样的功能性的方面存在问题，需要进行复杂的信号处理以解决该问题。 0009 后者的面阵图像传感器将多个像素 ( 受光元件 ) 二维地排列在受光面上，由电荷耦合元件 (CCD)、互补性金属氧化膜半导体 (CMOS) 等电路元件构成。由于能够对每个像素检测受光量，因此适于条纹图像的检测，可以说被照射体的反射面的姿势检测这样的功能性是足够的。相比于 CCD 类型， CMOS 类型能够进行高速检测。另外，近年来，。

12、市场上还销售一种作为支持高速的照相机用的能够更高速地进行检测的面阵图像传感器。然而，任何面阵图像传感器的检测速度都远远低于前者的 PSD 的检测速度。 0010 在专利文献 1 中，为了改善干涉条纹的检测速度，公开有一种以下这样的接触探头：使用一个直线状的像素列(线阵图像传感器)来检测干涉条纹，根据其检测值来执行可动体 ( 触针 ) 的姿势检测。 0011 线阵图像传感器一般能够以几十 kHz 的采样频率 ( 帧速率 ) 执行高速检测，因此，通过使用该线阵图像传感器来改善姿势检测器的响应性。比作为面阵图像传感器的代表例的 CCD 的采样频率快了 1000 倍左右，。

13、与 PSD 相比检测速度也大幅地增加。因此，专利文献说明书 CN 103292686 A 4 2/11 页 5 1 的利用了线阵图像传感器的姿势检测器能够实现具备高分辨率、高稳定性、高速响应等的高功能检测器。 0012 专利文献 1 ：日本特开 2008-96295 号公报发明内容 0013 然而，在专利文献 1 的接触探头中，虽说能够进行高速响应等，但必须在从干涉仪到线阵图像传感器为止的光路上构成复杂的光学系统。需要该光学系统，以对由干涉仪产生的干涉条纹进行分割，使其中一部分干涉条纹入射至水平配置的线阵图像传感器的右半部分，使另一部分干涉条纹绕光轴旋转 9。

14、0 度后入射至线阵图像传感器的左半部分。 0014 本发明是用于解决上述问题而完成的，其第一目的在于提供一种光学系统的结构比以往的线阵图像传感器简单并且能够进行高速检测的干涉条纹等的条纹图像用的图像传感器。 0015 另外，本发明的第二目的在于提供一种通过上述图像传感器检测基于来自形成于被照射体的反射面的反射光的条纹来检测被照射体的姿势、并具备高分辨率、高稳定性、高速响应等高功能性的姿势检测器。 0016 并且，本发明的第三目的在于提供一种内置上述姿势检测器作为内置传感器的三维测量机用的接触探头和多传感探头。 0017 0018 即，本发明所涉及的图像传感器具备配置有两。

15、个以上的直线状的像素列的受光面，根据各像素的受光量对基于来自被照射体的反射光产生的有规则的条纹进行拍摄，其特征在于：上述像素列中的至少两个像素列配置为形成大致 90 度的交角，获取投射于上述受光面的条纹中的以大致 90 度交叉的两个方向的线状条纹的像。 0019 在该结构中，在条纹被投射至图像传感器(摄像元件)的受光面这一点上，与以往的 CCD 那样的面阵图像传感器共通，但以往的面阵图像传感器将条纹捕获为大致完整的二维图像，但本发明的图像传感器只获取正交的两个方向的线状条纹这样的片段的像。例如，有以下的利用方法：在干涉条纹的拍摄、规则条纹图案的拍摄过程中，。

16、即使不获取条纹整体的详细信息也能够只通过片段的信息来估计这些条纹的变化，基于这样估计条纹变化来检测被照射体的位置、姿势的变化等。即，包含在线状条纹中的亮部 ( 或暗部 ) 的个数、它们的位置这样的片段的信息能够成为对于图像传感器有效的信息。通过这样使图像传感器的用途特殊化为对有规则的条纹进行拍摄 ( 实际上是获取条纹的一部分的线状图像 )，来实现能够进行比以往的面阵图像传感器更高速的处理的图像传感器。 0020 并且，发明人们发现通过针对一个条纹纵向和横向配置至少两个像素列，由此与只通过一个方向的像素列掌握条纹的变化相比，能够更准确地掌握条纹的变化。通过进行将。

17、在其中一个像素列中构成线状条纹的亮部和与其大致正交的另一个像素列的亮部相连接的处理，来估计条纹的整体图像，从而能够准确地掌握条纹的变化。在本发明中，在两个像素列交叉的情况下，在交叉的位置处存在共有的像素。即使在两个像素列不交叉的情况下，也在各个像素列中存在与对方侧的像素列接近的位置的像素。由于在这两个像素列中存在共有的位置的像素、相互接近的位置的像素，因此通过基于这些像素的信息进行图像处理，能够容易且准确地执行亮部之间 ( 或暗部之间 ) 的连接。说明书 CN 103292686 A 5 3/11 页 6 0021 此外，在专利文献 1 中也使用线阵图像传感器。

18、从干涉条纹获取正交的两个方向的线状条纹的信息。然而，为了通过一个像素列捕获两个方向的线状条纹，因此对干涉条纹进行分割，将其中一部分直接投射至像素列的单侧一半部分，使分割出的另一部分绕光轴旋转 90 度后投射至像素列的另一单侧一半部分。虽说通过一个像素列就能够拍摄两个方向的线状条纹，但必须在干涉仪与传感器之间配置复杂的光学结构。另一方面，在本发明的图像传感器中，不需要对条纹进行分割，能够由一个图像传感器直接接收一个条纹，通过纵向排列的像素列和横向排列的像素列来同时获取正交的两个方向的线状条纹。 0022 另外，优选的是在本发明的图像传感器中，还具备： 00。

19、23 信号读取单元，其从上述像素列的各像素读取与受光量相应的信号；以及 0024 信号处理单元，其根据读取出的信号计算出上述线状条纹的亮部或暗部的位置， 0025 其中，上述信号处理单元具有连接处理部，该连接处理部根据规定时间前后的上述亮部或暗部的位置的变化执行将上述两个方向的线状条纹的亮部之间或暗部之间相连接的处理，以估计平面的条纹图像。 0026 另外，优选的是在上述至少两个像素列交叉的位置处配置有共有的像素。另外，优选的是在上述共有的像素的周围配置有上述像素列的像素以外的多个像素。 0027 如上述那样，能够通过基于共有的像素的信息进行图像处理，来容易且准确。

20、地执行亮部 ( 或暗部 ) 之间的连接。通过在共有的像素的周围进一步配置有多个像素，能够容易地进行连接处理，能够提高可靠性。 0028 另外，优选的是在本发明的图像传感器中，具备四个以上的上述直线状的像素列，沿着大致矩形形状的四边配置这些像素列中的四个像素列。 0029 如该结构那样，如果沿着大致矩形形状的四边配置四个像素列，则能够将上述共有的像素设置在四个角，通过基于这些共有像素的信息执行图像处理，能够更加容易地进行条纹的连接处理，能够提高可靠性。 0030 0031 本发明所涉及的姿势检测器的特征在于，具备：上述图像传感器；以及干涉仪，其向形成于被。

21、照射体的反射面照射光，来将基于该反射光产生的干涉条纹投射到上述图像传感器，其中，根据上述图像传感器获取的两个方向的线状条纹的像的变化检测上述被照射体的姿势的变化。 0032 具体地说，上述干涉仪可以是麦克尔逊型干涉仪，也可以是斐索型干涉仪，还可以是其它的干涉仪。 0033 优选的是在为麦克尔逊型干涉仪的情况下，上述干涉仪具有：光源，其射出可干涉光；分束器，其对来自上述光源的光进行分割；以及参考镜，其接收一部分分割光的照射，其中，照射上述被照射体的反射面的光是来自上述分束器的另一部分分割光，上述图像传感器拍摄由于来自上述被照射体的反射面的反射光与来。

22、自上述参考镜的反射光之间的干涉而产生的干涉条纹。 0034 根据使用了上述干涉仪的姿势检测器的结构，能够根据光的波长的数量级来检测被照射体的姿势。例如，说明以 Z 轴方向的位移、绕 X 轴的旋转以及绕 Y 轴的旋转这三个自由度来保持被照射体的姿势的情况。首先，在条纹图像中，在纵向的线状条纹的密度没有变化而横向的线状条纹的密度变化的情况下，判断为被照射体绕 X 轴倾斜。另外，在横向的线说明书 CN 103292686 A 6 4/11 页 7 状条纹的密度没有变化而纵向的线状条纹的密度变化的情况下，判断为被照射体绕 Y 轴倾斜。而且，在纵横的两个方向的线状条纹。

23、的密度都没有变化而条纹漂移的情况下，判断为被照射体在 Z 方向上发生了位移。根据这样的判断基准，能够高速地检测被照射体向照射光的光轴方向的位移 ( 一个自由度 )、绕与该光轴正交的两个轴的倾斜的变化 ( 两个自由度 )。 0035 另外，本发明所涉及的姿势检测器的特征在于，具备： 0036 上述图像传感器；以及图案投影单元，其将有规则的条纹图案投影到形成于被照射体的反射面， 0037 其中，上述图案投影单元具有：光源，其射出可干涉光；以及投影元件，其配置在上述光源与上述被照射体之间的光路上，接收可干涉光并将上述条纹图案投影到上述被照射体的反射面，。

24、0038 其中，上述图像传感器设置于接收来自上述反射面的反射光的位置， 0039 根据上述图像传感器获取的两个方向的线状条纹的像的变化检测上述被照射体的姿势的变化。 0040 这样，上述图像传感器不限于基于干涉仪的姿势检测器，也能够利用于对通过图案投影单元投影的条纹图像进行拍摄来检测被照射体的姿势的情况。 0041 0042 本发明所涉及的接触探头的特征在于，具备：上述姿势检测器；壳体，其内置上述姿势检测器；可动部，其构成为具有上述被照射体、与该被照射体一体地动作的触针以及触头，该触头安装在该触针的前端，与被测量物表面接近或抵接；以及支承部，其设置于。

25、上述壳体，支承该可动部使得上述可动部的姿势根据上述触头的接近或抵接变化， 0043 其中，上述姿势检测器通过检测上述可动部的姿势的变化，来定量地检测上述触头受到来自被测量物表面的作用力时的该触头的三维坐标上的位移。 0044 另外，本发明的多传感探头中，上述接触探头中的上述可动部设置成能够自由装卸于上述壳体，该多传感探头的特征在于， 0045 在从壳体卸下了上述可动部的状态下，在卸下前的上述可动部的上述反射面的位置处配置设置于其它的检测对象物的反射面，来检测该检测对象物的姿势的变化。 0046 在上述多传感探头中，通过自由装卸地设置接触探头的可动部，能够实现作为接。

26、触探头的功能和作为姿势检测传感器的功能这两个功能。 0047 这样，通过将上述姿势检测器用作安装于三维测量机的接触探头的内置传感器、或者用作准实时地检测实施了临界对准的光学部件的姿势的变化来进行该姿势的自动调整的多传感探头的外置传感器，能够使接触探头和多传感探头具备高分辨率、高稳定性、高速响应等高功能性。 0048 如上所述，根据本发明，能够提供一种光学系统的结构比以往的线阵图像传感器简单且能够进行高速检测的干涉条纹等条纹图像用的图像传感器。 0049 另外，能够提供一种姿势检测器，其通过上述图像传感器检测基于来自形成于被照射体的反射面的反射光产生的条纹，来检测被照。

27、射体的姿势，并具备高分辨率、高稳定性、高速响应等高功能性的姿势检测器。 0050 并且，能够提供一种内置有上述姿势传感器作为内置传感器的三维测量机用的接说明书 CN 103292686 A 7 5/11 页 8 触探头和多传感探头。附图说明 0051 图 1 的 (A) 是表示本发明的第一实施方式所涉及的图像传感器的像素配置的图，图 1 的 (B) 是为了比较而表示以往传感器的像素配置的图。 0052 图 2 的 (A)、 (B) 是表示上述图像传感器的像素配置的变形例的图。 0053 图 3 的 (A)、 (B) 是表示上述图像传感器的像素配置的其它的变形例的图。 005。

28、4 图 4 是表示本发明的第二实施方式所涉及的姿势检测器的光学结构的图。 0055 图 5 是表示使被照射体绕 Y 轴旋转的情况下的干涉条纹的变化的图。 0056 图 6 是表示在上述姿势检测器中绕 Y 轴旋转前后的两个线状条纹的变化的图。 0057 图 7 是表示使被照射体在 Z 轴方向上发生位移的情况下的干涉条纹的变化的图。 0058 图8是表示在上述姿势检测器中Z轴方向的发生位移前后的两个线状条纹的变化的图。 0059 图 9 是表示本发明的第三实施方式所涉及的姿势检测器的光学结构的图。 0060 图 10 是表示本发明的第四实施方式所涉及的接触探头的光学结构的图。 0061 图 11。

29、是表示本发明的第五实施方式所涉及的多传感探头的光学结构的图。 0062 附图标记说明 0063 2 ：像素； 4 ：共有像素； 10、 110、 210、 310、 410 ：图像传感器； 12 ：干涉仪 ( 麦克尔逊型干涉仪 ) ； 14 ：被照射体； 16 ：激光光源； 18 ：参考镜； 20、 120 ：姿势检测器； 24 ：反射面； 36 ：线状条纹的暗部； 38 ：线状条纹的亮部； 52 ：图案投影单元； 54 ：光源； 56 ：光栅的底版 ( 投影元件 ) ； 62 ：壳体； 64 ：可动部； 66 ：被照射体；。

30、68 ：触针； 72 ：触头； 74 ：支承部； 80 ：检测对象物； 84 ：反射面； 220 ：接触探头； 320 ：多传感探头。具体实施方式 0064 0065 根据附图说明本发明的第一实施方式所涉及的图像传感器。 0066 图 1 的 (A) 是表示构成本发明所涉及的图像传感器 ( 摄像元件 )10 的像素 2 的排列的图。为了比较，在图 1 的 (B) 中示出以往的 CMOS 型、 CCD 型等面阵图像传感器 90。 0067 图 1 的 (A) 的图像传感器使用多个光电二极管 (PD) 等像素 2，并将它们配置为十字线形状。准确地表示时，以。

31、将多个像素2排列为直线状而成的像素列(线阵图像传感器) 作为一个单位，相互大致为直角地配置这些多个像素列 ( 线 1、线 2)。通过两个大致正交的像素列 ( 线 1、线 2) 片段地捕获投影于图像传感器 10 的受光面的一个条纹，获取两个方向的线状条纹的图像。以后，也将本发明的图像传感器称为矩形线阵图像传感器。 0068 在图像传感器 10 的纵向和横向的像素数与图 1 的 (B) 所示的以往的面阵图像传感器 90 相同的情况下，像素数比以往的面阵图像传感器 90 大幅地减少，因此，能够高速地执行元件整体的检测。例如，如果与以往的 100 万像素的面阵图像传感器进行比。

32、较，本发明的图像传感器为 2000 像素左右，因此检测速度为大约 500 倍高速。以往的面阵图像传感器 90 的一般的帧速率是 30fps( 与采样频率 30Hz 相同 )，因此，本发明的图像传感器 10 的帧速率单纯地为 15000fps( 或者 15 图像 / 秒 )。在一般的线阵图像传感器中，实现了几万行说明书 CN 103292686 A 8 6/11 页 9 / 秒 ( 几十 kHz) 的检测速度，因此，在本发明的图像传感器 10 中也能够充分地实现相同数量级 (15000fps) 的帧速率。 0069 以往的面阵图像传感器 90 的目的是识别被照射体的形状。

33、、像，与此相对地，本发明的矩形线阵图像传感器 10 的目的是识别被照射体的姿势变化 ( 位移、倾斜的变化 )，为此，特殊化为对干涉条纹等有规则的条纹进行拍摄。通过对用途进行特殊化，能够实现检测速度的高速化。 0070 另一方面，在与以往的 PSD 比较的情况下， PSD 只能与分割面数相应地得到两个或四个信息。各分割面内的受光位置的检测速度快，但检测的位置与相对于各分割面内的受光分布的重心位置相等，因此，不适于用于准确地检测干涉条纹的移动之类的亮部和暗部的位移的传感器。与此相对地，本发明的图像传感器 10 通常是 2000 左右的像素数，能够准确地针对。

34、干涉条纹的移动检测亮部和暗部的边界的移动。并且，能够得到每秒 15000 帧的信息，因此其信息量多，因此例如在进行姿势检测时产生平均化效果，能够降低噪声，能够更准确地掌握姿势信息。 0071 图像传感器 10 并不限于图 1 的 (A) 的结构，也能够是图 2 的 (A)、 (B) 那样的应用。在图 1 的 (A) 中，在两个像素列 ( 线 1、线 2) 交叉的位置处配置有共有像素 4，但在图 2 的 (A) 的结构中，在共有像素 4 的位置和与其邻接的位置没有配置像素。换句话说，将四个像素列 ( 线 1-1 线 2-2) 以大致 90 度的间距放射状地进行配置。。

35、该图像传感器 110 是独立地使用各个像素列的例子，没有共有像素 4 和其邻接像素，因此，相比于图 1 的 (A) 的图像传感器 10，能够缩短图像处理时间。 0072 另外，在图 2 的 (B) 的图像传感器 210 的结构中，还在图 1 的 (A) 的共有像素 4 的周围位置处增设有像素 8。也就是说，除了两个像素列 ( 线 1、线 2) 的配置位置以外，还在与共有像素 4 接近的位置 ( 四个位置 ) 处配置像素 8，提高了共有信息的准确性。 0073 另外，图 3 的 (A) 的图像传感器 310 的结构是表示以下情况的例子：如图 1 的 (A) 那样。

36、使正交的两个像素列 ( 线 1、线 2) 在受光面的大致中央处交叉不是本发明的图像传感器的必须条件。该图像传感器 310 沿着正方形的四边配置有四个像素列。该结构的特征在于：通过在正方形的周边上配置四个像素列，来将共有像素 4 配置在其四角。而且，通过基于四个共有像素 4 的信息进行图像处理，由此与将共有像素只配置于传感器中央一处的图 1 的 (A) 的结构相比，能够高分辨率地掌握条纹图像。 0074 图 3 的 (B) 的图像传感器 410 的结构例是将图 1 的 (A) 的十字线状的两个像素列与图 3 的 (A) 的正方形状的四个像素列组合所得的结构，同时具有双方的。

37、优点。并且，在该结构中，十字线状的纵横的各像素列的两端的像素和位于正方形状的各像素列的中央的像素形成共有像素 4。因而，成为等间隔地配置有合计九个共有像素 4 的状态，能够以更高分辨率高效地掌握条纹图像。 0075 如上所述，根据本发明的图像传感器，不需要专利文献 1 的线阵图像传感器那样的在干涉仪与传感器之间的复杂的光学结构，能够直接接收一个条纹的光，通过横向排列的像素列 ( 线 1 等 ) 和纵向排列的像素列 ( 线 2 等 ) 来同时获取正交的两个方向的线状条纹。 0076 另外，在干涉条纹的拍摄、规则的条纹图案的拍摄等中，即使不获取条纹整体的详细信息。

38、，只获取条纹的片段的信息，也能够估计条纹的变化，因此，存在以下的利用方法：通说明书 CN 103292686 A 9 7/11 页 10 过这样估计条纹的变化，来检测被照射体的位置、姿势的变化。即，通过本发明的图像传感器高速检测出的线状条纹的信息能够成为对于姿势检测等有效的信息。 0077 此外，本发明的图像传感器并不限于上述实施方式所说明的像素列的组合。即，本发明的图像传感器具有多个像素列，因此，只要如下构成即可：将其中至少两个像素列配置为形成大致 90 度的交角，通过各个像素列捕获投射于图像传感器的受光面的条纹中的以大致 90 度交叉的两个方。

39、向的线状条纹的像。 0078 0079 接着，根据附图说明本发明的第二实施方式所涉及的姿势检测器 20。 0080 图 4 是利用麦克尔逊型干涉仪 12 检测被照射体 14 的姿势的姿势检测器 20 的结构图，使用了上述的矩形线阵图像传感器 10 作为干涉条纹的摄像元件。麦克尔逊型干涉仪 12 具有激光光源 16、分束器 (BS) 以及参考镜 18。BS 对来自激光光源 16 的可干涉光进行分割。即，被 BS 的半透膜 22 反射的可干涉光照射参考镜 18，透过了半透膜 22 的可干涉光照射被照射体 14。如图 4 所示，将从 BS 向被照射体 14 的测量光的光轴作为 Z 。

40、轴。 0081 被照射体 14 形成有与 Z 轴大致正交的反射面 24，反射来自 BS 的可干涉光来使该可干涉光返回至 BS。该被照射体 14 的姿势能够按照 Z 轴方向的位移、绕 X 轴的旋转以及绕 Y 轴的旋转这三个自由度进行变化。 0082 参考镜 18 也同样地，反射来自 BS 的可干涉光来使该可干涉光返回至 BS。 0083 在 BS 中，被半透膜 22 反射的来自被照射体 14 的反射光 ( 测量光 ) 与透过半透膜 22的来自参考镜18的反射光(参考光)产生干涉，从而使得干涉条纹投影到配置在这两个反射光的光轴上的图像传感器 10 的受光面 26。 0084 根据以上。

41、结构的姿势检测器 20，能够形成以激光光源 16、 BS、参考镜 18 以及图像传感器 10 为主要构成要素的简单的光学配置的检测器。 0085 此外，如果构成为将 BS 设为 PBS( 偏振光分束器 )，在 PBS 与参考镜 18 之间和 PBS 与被照射体 14 之间分别设置二分之一波片 (/2)，则能够提高光的回收效率，并且能够抑制虚像条纹的产生。 0086 另外，使用能够高速检测正交的两个方向的线状条纹的上述实施方式的矩形线阵图像传感器 10 作为干涉条纹的摄像元件，因此，能够提高从姿势信息的获取指令到获取实际的姿势信息为止的响应性，能够高速检测被照射体 1。

42、4 的三个自由度的姿势。本发明的姿势检测器也被称为三自由度传感器。 0087 此外，用于姿势检测器 20 的图像传感器 10 具备：信号读取单元，其读取与来自多个像素列 ( 线 1、线 2) 的各像素 2 的受光量相应的照度信号；以及信号处理单元，其根据读取出的照度信号计算线状条纹的亮部 ( 或暗部 ) 的位置。在信号读取单元中能够采用现有的 CCD、 CMOS 等电路。另外，在信号处理单元中能够采用与信号读取单元一体或分体地构成的 CPU 等运算电路。 0088 而且，信号处理单元具有连接处理部，该连接处理部根据规定时间前后的亮部 ( 或暗部 ) 的位置的变化。

43、执行将两个方向的线状条纹的亮部之间 ( 或暗部之间 ) 相连接的处理，以估计平面的条纹图像。设定图像传感器 10 中的一个像素列的像素数，使得能够得到足够于通过傅立叶变换计算线状条纹的周期性变化的信息量。其最小像素数是四个。 0089 说明书 CN 103292686 A 10 8/11 页 11 0090 根据图 5 图 8 说明基于正交的两个方向的线状条纹的图像进行的被照射体 14 的姿势检测方法的一例。首先，使用图 5 说明被照射体 14 的姿势变化与产生的干涉条纹的变化之间的关系。图 5 表示在使被照射体 14 绕 Y 轴旋转的情况下投影到图像传感器 10 的受光面。

44、的干涉条纹的变化。 0091 在被照射体 14 的初始状态下，调整参考镜 18 的姿势，使得图 5 的左侧所示的干涉条纹的亮带 32( 或暗带 34) 向 45 度方向延伸。这样的干涉条纹的初始状态并没有特别限定，但为了高效地检测被照射体 14 的姿势变化，优选的是图 5 的左侧那样的初始状态。另外，关于投影到受光面 26 的干涉条纹的亮带 32 的个数，尽可能少则对于一条亮带 32 的分辨率越高，提高姿势检测精度。实际上，根据与图像传感器 10 的像素数之间的关系和与三个自由度的姿势的检测范围之间的关系，来调整参考镜 18 的姿势使得变成最恰当的亮带 32 的个数。

45、。而且，在被照射体 14 绕 Y 轴旋转而姿势发生了变化的情况下，如图 5 的右侧那样，干涉条纹的亮带 32 的倾斜变缓，并且亮带 32 之间的间隔变窄，投影出的亮带 32 的个数增加。 0092 接着，使用图 6 说明本发明的图像传感器 10 所拍摄的线状条纹的变化。该图与图 5 对应，示出在姿势变化前后由图像传感器 10 捕获的线状条纹的像。如图 6 的左侧所示那样，在初始状态下，根据纵向的像素列 ( 线 2) 的信息检测其中包含的暗部 36( 或亮部 38) 的位置和个数。同样地，根据横向的像素列 ( 线 1) 的信息检测其中包含的暗部 36 的位置和个数。在。

46、此，也将包含在纵横的各像素列 ( 线 1、线 2) 中的暗部 36( 或亮部 38) 的个数称为该像素列中的 “线状条纹的密度” 。 0093 如图 6 的右侧所示那样，与变化前相比，姿势变化后的两个线状条纹的像的横向的暗部 36 的间距 PY相同，纵向的暗部 36 的间距从 PZ缩小至 PZ 。即，检测出横的线状条纹的密度不变而纵的线状条纹的密度变大。 0094 在该图中，为了简化说明，只通过黑白来区分各像素，但如果是光电二极管那样的像素，则一个像素的信号包含照度信息。因而，通过基于各像素的照度的变化进行图像处理，能够更准确地获取线状条纹的位置、线状条纹的。

47、密度。另外，如该图那样，即使无法清楚地区分暗部 36 和亮部 38，也能够根据照度信息准确地获取它们的位置信息。 0095 如上那样，在只有纵的线状条纹的密度 ( 间距 PZ) 变化的情况下，能够判断为被照射体 14 绕 Y 轴进行了旋转。而且，能够获取密度的变化比例作为其旋转角度。同样地，在只有横的线状条纹的密度 ( 间距 PY) 变化的情况下，能够判断为被照射体 14 绕 X 轴旋转而姿势发生了变化。 0096 另一方面，在被照射体 14 在 Z 轴方向上产生了位移的情况下，如图 7 的干涉条纹那样投影的干涉条纹的亮带 32( 或暗带 34) 的个数不变，。

48、全部的亮带 32 向同一方向平行移动。也将这样的条纹的变化称为 “条纹漂移” 。图 8 与图 7 对应，示出在姿势变化前后由图像传感器 10 捕获的线状条纹的像。在只有 Z 轴方向发生位移的情况下，纵横的各线状条纹的密度不变。即，各线状条纹的亮部 ( 或暗部 ) 的间距 PZ、 PY不变而只有亮部 ( 或暗部 ) 的位置移动。如果在图 8 中示出纵向上的特定的暗部 42( 或亮部 44) 的位置变化，则可知暗部 42( 或亮部 44) 纵向移动了 Z的尺寸。将这样的暗部 42 的位置的变化量称为线状条纹的相位的变化量。 0097 此外，可知横向上的特定的暗部 46 的位置。

49、也横向移动了 Z的尺寸。另外，纵向说明书 CN 103292686 A 11 9/11 页 12 的特定的暗部42和横向的特定的暗部46伴随着姿势变化而移动，如该图的右侧所示那样，在共有像素 4 中一致，因此根据这样的共有像素 4 的信息，明确地可知两个暗部 42、 46 连接为同一暗带。 0098 如以上的姿势检测的例子那样，用纵横的线状条纹的密度与位置 ( 相位 ) 的变化的组合来表示被照射体 14 的姿势在三个自由度上的任意动作。也就是说，图像传感器 10 的线 1 的线状条纹的密度与绕 X 轴的倾斜对应，该线状条纹的相位与 Z 轴方向的位移对应。同样地，线 2 的线状条纹的密度与绕 Y 轴的倾斜对应，该线状条纹的相位与 Z 轴方向的位移对应。因而，能够计算出被照射体的 Z 轴位移 ( 一个自由度 ) 以及绕 X 轴的倾斜和绕 Y 轴的倾斜。

摘要
申请专利号：	CN201310003704.X	申请日：	2013.01.06
公开号：	CN103292686A	公开日：	2013.09.11
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	授权\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):G01B 9/00申请日:20130106\|\|\|公开
IPC分类号：	G01B9/00; G01B11/03	主分类号：	G01B9/00
申请人：	株式会社三丰
发明人：	日高和彦; 石川修弘
地址：	日本神奈川县
优先权：	2012.01.06 JP 2012-001412
专利代理机构：	北京林达刘知识产权代理事务所(普通合伙) 11277	代理人：	刘新宇
PDF完整版下载：	PDF下载

内容摘要

本发明提供一种图像传感器、姿势检测器、接触探头以及多传感探头，该图像传感器是成为比以往的线阵图像传感器更简单的光学系统的结构并且能够进行高速检测的干涉条纹等条纹图像用的图像传感器。图像传感器(10)具备配置在受光面上的两个以上的直线状的像素列，根据各像素(2)的受光量对基于来自被照射体的反射光产生的有规则的条纹进行拍摄。像素列中的至少两个像素列(线(1)、线(2))配置为成大致90度的交角，获取投射于受光面的条纹中的以大致90度交叉的两个方向的线状条纹的像。

权利要求书

权利要求书
1.   一种图像传感器，具备配置有两个以上的直线状的像素列的受光面，根据各像素的受光量对基于来自被照射体的反射光产生的有规则的条纹进行拍摄，该图像传感器的特征在于，
上述像素列中的至少两个像素列配置为形成大致90度的交角，获取投射于上述受光面的条纹中的以大致90度交叉的两个方向的线状条纹的像。

2.   根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还具备：
信号读取单元，其从上述像素列的各像素读取与受光量相应的信号；以及
信号处理单元，其根据读取出的信号计算出上述线状条纹的亮部或暗部的位置，
其中，上述信号处理单元具有连接处理部，该连接处理部根据规定时间前后的上述亮部或暗部的位置的变化执行将上述两个方向的线状条纹的亮部之间或暗部之间相连接的处理，以估计平面的条纹图像。

3.   根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，
在上述至少两个像素列交叉的位置处配置有共有的像素。

4.   根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，
在上述共有的像素的周围配置有上述像素列的像素以外的多个像素。

5.   根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，
具备四个以上的上述直线状的像素列，
沿着大致矩形形状的四边配置这些像素列中的四个像素列。

6.   一种姿势检测器，其特征在于，具备：
根据权利要求1所述的图像传感器；以及
干涉仪，其向形成于被照射体的反射面照射光，来将基于该反射光产生的干涉条纹投射到上述图像传感器，
其中，根据上述图像传感器获取的两个方向的线状条纹的像的变化检测上述被照射体的姿势的变化。

7.   根据权利要求6所述的姿势检测器，其特征在于，上述干涉仪具有：
光源，其射出可干涉光；
分束器，其对来自上述光源的光进行分割；以及
参考镜，其接收一部分分割光的照射，
其中，照射上述被照射体的反射面的光是来自上述分束器的另一部分分割光，
上述图像传感器拍摄由于来自上述被照射体的反射面的反射光与来自上述参考镜的反射光之间的干涉而产生的干涉条纹。

8.   一种姿势检测器，其特征在于，具备：
根据权利要求1所述的图像传感器；以及
图案投影单元，其将有规则的条纹图案投影到形成于被照射体的反射面，
其中，上述图案投影单元具有：
光源，其射出可干涉光；以及
投影元件，其配置在上述光源与上述被照射体之间的光路上，接收可干涉光并将上述条纹图案投影到上述被照射体的反射面，
其中，上述图像传感器设置于接收来自上述反射面的反射光的位置，
根据上述图像传感器获取的两个方向的线状条纹的像的变化检测上述被照射体的姿势的变化。

9.   一种接触探头，其特征在于，具备：
根据权利要求6所述的姿势检测器；
壳体，其内置上述姿势检测器；
可动部，其构成为具有上述被照射体、与该被照射体一体地动作的触针以及触头，该触头安装在该触针的前端，与被测量物表面接近或抵接；以及
支承部，其设置于上述壳体，支承该可动部使得上述可动部的姿势根据上述触头的接近或抵接而变化，
其中，上述姿势检测器通过检测上述可动部的姿势的变化，来定量地检测上述触头受到来自被测量物表面的作用力时的该触头的三维坐标上的位移。

10.   一种多传感探头，在该多传感探头中，根据权利要求9所述的接触探头中的上述可动部设置成能够自由装卸于上述壳体，该多传感探头的特征在于，
在从壳体卸下了上述可动部的状态下，在卸下前的上述可动部的上述反射面的位置处配置设置于其它的检测对象物的反射面，来检测该检测对象物的姿势的变化。

说明书

说明书图像传感器、姿势检测器、接触探头以及多传感探头
本申请要求2012年1月6日申请的日本专利申请2012‑001412号的优先权，引入于此。
技术领域
本发明涉及一种拍摄条纹用的图像传感器，涉及一种能够成为比以往更简单的结构并且能够进行高速检测的图像传感器。另外，涉及一种使用图像传感器检测被照射体的姿势的姿势检测器。并且，涉及一种利用姿势检测器的接触探头和多传感探头。
背景技术
以往，作为光学检测被照射体的姿势的姿势检测器，已知一种使用干涉仪产生干涉条纹并通过摄像元件(图像传感器)检测该条纹的图像的姿势检测器。
<姿势检测器>
说明使用一般的麦克尔逊型干涉仪的姿势检测器。通过分束器将来自激光光源的激光分割为参考光和测量光，使参考光照射至参考镜，使测量光照射至形成于被照射体的反射面。而且，通过分束器使来自参考镜的反射光与来自被照射体的反射光产生干涉，通过图像传感器获取所产生的干涉条纹。如果被照射体的姿势变化，则与此相应地拍摄到的干涉条纹图像也变化，因此，通过检测条纹图像的变化，可知被照射体的姿势变化。
<图像传感器>
在以往的用于姿势检测器的图像传感器中，对干涉条纹图像那样的二维图像进行拍摄，因此，一般使用PSD(光位置传感器：position sensor device)、面阵图像传感器等。
前者的PSD具有能够进行高速检测的优点，但PSD是具有检测光量的重心值的方式的传感器。也就是说，适于光点状的光的检测，但并不适于干涉条纹那样的条纹的检测。因此，在检测被照射体的反射面的姿势(位移、倾斜)这样的功能性的方面存在问题，需要进行复杂的信号处理以解决该问题。
后者的面阵图像传感器将多个像素(受光元件)二维地排列在受光面上，由电荷耦合元件(CCD)、互补性金属氧化膜半导体(CMOS)等电路元件构成。由于能够对每个像素检测受光量，因此适于条纹图像的检测，可以说被照射体的反射面的姿势检测这样的功能性是足够的。相比于CCD类型，CMOS类型能够进行高速检测。另外，近年来，市场上还销售一种作为支持高速的照相机用的能够更高速地进行检测的面阵图像传感器。然而，任何面阵图像传感器的检测速度都远远低于前者的PSD的检测速度。
在专利文献1中，为了改善干涉条纹的检测速度，公开有一种以下这样的接触探头：使用一个直线状的像素列(线阵图像传感器)来检测干涉条纹，根据其检测值来执行可动体(触针)的姿势检测。
线阵图像传感器一般能够以几十kHz的采样频率(帧速率)执行高速检测，因此，通过使用该线阵图像传感器来改善姿势检测器的响应性。比作为面阵图像传感器的代表例的CCD的采样频率快了1000倍左右，与PSD相比检测速度也大幅地增加。因此，专利文献1的利用了线阵图像传感器的姿势检测器能够实现具备高分辨率、高稳定性、高速响应等的高功能检测器。
专利文献1：日本特开2008‑96295号公报
发明内容
然而，在专利文献1的接触探头中，虽说能够进行高速响应等，但必须在从干涉仪到线阵图像传感器为止的光路上构成复杂的光学系统。需要该光学系统，以对由干涉仪产生的干涉条纹进行分割，使其中一部分干涉条纹入射至水平配置的线阵图像传感器的右半部分，使另一部分干涉条纹绕光轴旋转90度后入射至线阵图像传感器的左半部分。
本发明是用于解决上述问题而完成的，其第一目的在于提供一种光学系统的结构比以往的线阵图像传感器简单并且能够进行高速检测的干涉条纹等的条纹图像用的图像传感器。
另外，本发明的第二目的在于提供一种通过上述图像传感器检测基于来自形成于被照射体的反射面的反射光的条纹来检测被照射体的姿势、并具备高分辨率、高稳定性、高速响应等高功能性的姿势检测器。
并且，本发明的第三目的在于提供一种内置上述姿势检测器作为内置传感器的三维测量机用的接触探头和多传感探头。
<图像传感器>
即，本发明所涉及的图像传感器具备配置有两个以上的直线状的像素列的受光面，根据各像素的受光量对基于来自被照射体的反射光产生的有规则的条纹进行拍摄，其特征在于：上述像素列中的至少两个像素列配置为形成大致90度的交角，获取投射于上述受光面的条纹中的以大致90度交叉的两个方向的线状条纹的像。
在该结构中，在条纹被投射至图像传感器(摄像元件)的受光面这一点上，与以往的CCD那样的面阵图像传感器共通，但以往的面阵图像传感器将条纹捕获为大致完整的二维图像，但本发明的图像传感器只获取正交的两个方向的线状条纹这样的片段的像。例如，有以下的利用方法：在干涉条纹的拍摄、规则条纹图案的拍摄过程中，即使不获取条纹整体的详细信息也能够只通过片段的信息来估计这些条纹的变化，基于这样估计条纹变化来检测被照射体的位置、姿势的变化等。即，包含在线状条纹中的亮部(或暗部)的个数、它们的位置这样的片段的信息能够成为对于图像传感器有效的信息。通过这样使图像传感器的用途特殊化为对有规则的条纹进行拍摄(实际上是获取条纹的一部分的线状图像)，来实现能够进行比以往的面阵图像传感器更高速的处理的图像传感器。
并且，发明人们发现通过针对一个条纹纵向和横向配置至少两个像素列，由此与只通过一个方向的像素列掌握条纹的变化相比，能够更准确地掌握条纹的变化。通过进行将在其中一个像素列中构成线状条纹的亮部和与其大致正交的另一个像素列的亮部相连接的处理，来估计条纹的整体图像，从而能够准确地掌握条纹的变化。在本发明中，在两个像素列交叉的情况下，在交叉的位置处存在共有的像素。即使在两个像素列不交叉的情况下，也在各个像素列中存在与对方侧的像素列接近的位置的像素。由于在这两个像素列中存在共有的位置的像素、相互接近的位置的像素，因此通过基于这些像素的信息进行图像处理，能够容易且准确地执行亮部之间(或暗部之间)的连接。
此外，在专利文献1中也使用线阵图像传感器从干涉条纹获取正交的两个方向的线状条纹的信息。然而，为了通过一个像素列捕获两个方向的线状条纹，因此对干涉条纹进行分割，将其中一部分直接投射至像素列的单侧一半部分，使分割出的另一部分绕光轴旋转90度后投射至像素列的另一单侧一半部分。虽说通过一个像素列就能够拍摄两个方向的线状条纹，但必须在干涉仪与传感器之间配置复杂的光学结构。另一方面，在本发明的图像传感器中，不需要对条纹进行分割，能够由一个图像传感器直接接收一个条纹，通过纵向排列的像素列和横向排列的像素列来同时获取正交的两个方向的线状条纹。
另外，优选的是在本发明的图像传感器中，还具备：
信号读取单元，其从上述像素列的各像素读取与受光量相应的信号；以及
信号处理单元，其根据读取出的信号计算出上述线状条纹的亮部或暗部的位置，
其中，上述信号处理单元具有连接处理部，该连接处理部根据规定时间前后的上述亮部或暗部的位置的变化执行将上述两个方向的线状条纹的亮部之间或暗部之间相连接的处理，以估计平面的条纹图像。
另外，优选的是在上述至少两个像素列交叉的位置处配置有共有的像素。另外，优选的是在上述共有的像素的周围配置有上述像素列的像素以外的多个像素。
如上述那样，能够通过基于共有的像素的信息进行图像处理，来容易且准确地执行亮部(或暗部)之间的连接。通过在共有的像素的周围进一步配置有多个像素，能够容易地进行连接处理，能够提高可靠性。
另外，优选的是在本发明的图像传感器中，具备四个以上的上述直线状的像素列，沿着大致矩形形状的四边配置这些像素列中的四个像素列。
如该结构那样，如果沿着大致矩形形状的四边配置四个像素列，则能够将上述共有的像素设置在四个角，通过基于这些共有像素的信息执行图像处理，能够更加容易地进行条纹的连接处理，能够提高可靠性。
<姿势检测器>
本发明所涉及的姿势检测器的特征在于，具备：上述图像传感器；以及干涉仪，其向形成于被照射体的反射面照射光，来将基于该反射光产生的干涉条纹投射到上述图像传感器，其中，根据上述图像传感器获取的两个方向的线状条纹的像的变化检测上述被照射体的姿势的变化。
具体地说，上述干涉仪可以是麦克尔逊型干涉仪，也可以是斐索型干涉仪，还可以是其它的干涉仪。
优选的是在为麦克尔逊型干涉仪的情况下，上述干涉仪具有：光源，其射出可干涉光；分束器，其对来自上述光源的光进行分割；以及参考镜，其接收一部分分割光的照射，其中，照射上述被照射体的反射面的光是来自上述分束器的另一部分分割光，上述图像传感器拍摄由于来自上述被照射体的反射面的反射光与来自上述参考镜的反射光之间的干涉而产生的干涉条纹。
根据使用了上述干涉仪的姿势检测器的结构，能够根据光的波长的数量级来检测被照射体的姿势。例如，说明以Z轴方向的位移、绕X轴的旋转以及绕Y轴的旋转这三个自由度来保持被照射体的姿势的情况。首先，在条纹图像中，在纵向的线状条纹的密度没有变化而横向的线状条纹的密度变化的情况下，判断为被照射体绕X轴倾斜。另外，在横向的线状条纹的密度没有变化而纵向的线状条纹的密度变化的情况下，判断为被照射体绕Y轴倾斜。而且，在纵横的两个方向的线状条纹的密度都没有变化而条纹漂移的情况下，判断为被照射体在Z方向上发生了位移。根据这样的判断基准，能够高速地检测被照射体向照射光的光轴方向的位移(一个自由度)、绕与该光轴正交的两个轴的倾斜的变化(两个自由度)。
另外，本发明所涉及的姿势检测器的特征在于，具备：
上述图像传感器；以及图案投影单元，其将有规则的条纹图案投影到形成于被照射体的反射面，
其中，上述图案投影单元具有：光源，其射出可干涉光；以及投影元件，其配置在上述光源与上述被照射体之间的光路上，接收可干涉光并将上述条纹图案投影到上述被照射体的反射面，
其中，上述图像传感器设置于接收来自上述反射面的反射光的位置，
根据上述图像传感器获取的两个方向的线状条纹的像的变化检测上述被照射体的姿势的变化。
这样，上述图像传感器不限于基于干涉仪的姿势检测器，也能够利用于对通过图案投影单元投影的条纹图像进行拍摄来检测被照射体的姿势的情况。
<接触探头和多传感探头>
本发明所涉及的接触探头的特征在于，具备：上述姿势检测器；壳体，其内置上述姿势检测器；可动部，其构成为具有上述被照射体、与该被照射体一体地动作的触针以及触头，该触头安装在该触针的前端，与被测量物表面接近或抵接；以及支承部，其设置于上述壳体，支承该可动部使得上述可动部的姿势根据上述触头的接近或抵接变化，
其中，上述姿势检测器通过检测上述可动部的姿势的变化，来定量地检测上述触头受到来自被测量物表面的作用力时的该触头的三维坐标上的位移。
另外，本发明的多传感探头中，上述接触探头中的上述可动部设置成能够自由装卸于上述壳体，该多传感探头的特征在于，
在从壳体卸下了上述可动部的状态下，在卸下前的上述可动部的上述反射面的位置处配置设置于其它的检测对象物的反射面，来检测该检测对象物的姿势的变化。
在上述多传感探头中，通过自由装卸地设置接触探头的可动部，能够实现作为接触探头的功能和作为姿势检测传感器的功能这两个功能。
这样，通过将上述姿势检测器用作安装于三维测量机的接触探头的内置传感器、或者用作准实时地检测实施了临界对准的光学部件的姿势的变化来进行该姿势的自动调整的多传感探头的外置传感器，能够使接触探头和多传感探头具备高分辨率、高稳定性、高速响应等高功能性。
如上所述，根据本发明，能够提供一种光学系统的结构比以往的线阵图像传感器简单且能够进行高速检测的干涉条纹等条纹图像用的图像传感器。
另外，能够提供一种姿势检测器，其通过上述图像传感器检测基于来自形成于被照射体的反射面的反射光产生的条纹，来检测被照射体的姿势，并具备高分辨率、高稳定性、高速响应等高功能性的姿势检测器。
并且，能够提供一种内置有上述姿势传感器作为内置传感器的三维测量机用的接触探头和多传感探头。
附图说明
图1的(A)是表示本发明的第一实施方式所涉及的图像传感器的像素配置的图，图1的(B)是为了比较而表示以往传感器的像素配置的图。
图2的(A)、(B)是表示上述图像传感器的像素配置的变形例的图。
图3的(A)、(B)是表示上述图像传感器的像素配置的其它的变形例的图。
图4是表示本发明的第二实施方式所涉及的姿势检测器的光学结构的图。
图5是表示使被照射体绕Y轴旋转的情况下的干涉条纹的变化的图。
图6是表示在上述姿势检测器中绕Y轴旋转前后的两个线状条纹的变化的图。
图7是表示使被照射体在Z轴方向上发生位移的情况下的干涉条纹的变化的图。
图8是表示在上述姿势检测器中Z轴方向的发生位移前后的两个线状条纹的变化的图。
图9是表示本发明的第三实施方式所涉及的姿势检测器的光学结构的图。
图10是表示本发明的第四实施方式所涉及的接触探头的光学结构的图。
图11是表示本发明的第五实施方式所涉及的多传感探头的光学结构的图。
附图标记说明
2：像素；4：共有像素；10、110、210、310、410：图像传感器；12：干涉仪(麦克尔逊型干涉仪)；14：被照射体；16：激光光源；18：参考镜；20、120：姿势检测器；24：反射面；36：线状条纹的暗部；38：线状条纹的亮部；52：图案投影单元；54：光源；56：光栅的底版(投影元件)；62：壳体；64：可动部；66：被照射体；68：触针；72：触头；74：支承部；80：检测对象物；84：反射面；220：接触探头；320：多传感探头。
具体实施方式
<矩形线阵图像传感器>
根据附图说明本发明的第一实施方式所涉及的图像传感器。
图1的(A)是表示构成本发明所涉及的图像传感器(摄像元件)10的像素2的排列的图。为了比较，在图1的(B)中示出以往的CMOS型、CCD型等面阵图像传感器90。
图1的(A)的图像传感器使用多个光电二极管(PD)等像素2，并将它们配置为十字线形状。准确地表示时，以将多个像素2排列为直线状而成的像素列(线阵图像传感器)作为一个单位，相互大致为直角地配置这些多个像素列(线1、线2)。通过两个大致正交的像素列(线1、线2)片段地捕获投影于图像传感器10的受光面的一个条纹，获取两个方向的线状条纹的图像。以后，也将本发明的图像传感器称为矩形线阵图像传感器。
在图像传感器10的纵向和横向的像素数与图1的(B)所示的以往的面阵图像传感器90相同的情况下，像素数比以往的面阵图像传感器90大幅地减少，因此，能够高速地执行元件整体的检测。例如，如果与以往的100万像素的面阵图像传感器进行比较，本发明的图像传感器为2000像素左右，因此检测速度为大约500倍高速。以往的面阵图像传感器90的一般的帧速率是30fps(与采样频率30Hz相同)，因此，本发明的图像传感器10的帧速率单纯地为15000fps(或者15图像/秒)。在一般的线阵图像传感器中，实现了几万行/秒(几十kHz)的检测速度，因此，在本发明的图像传感器10中也能够充分地实现相同数量级(15000fps)的帧速率。
以往的面阵图像传感器90的目的是识别被照射体的形状、像，与此相对地，本发明的矩形线阵图像传感器10的目的是识别被照射体的姿势变化(位移、倾斜的变化)，为此，特殊化为对干涉条纹等有规则的条纹进行拍摄。通过对用途进行特殊化，能够实现检测速度的高速化。
另一方面，在与以往的PSD比较的情况下，PSD只能与分割面数相应地得到两个或四个信息。各分割面内的受光位置的检测速度快，但检测的位置与相对于各分割面内的受光分布的重心位置相等，因此，不适于用于准确地检测干涉条纹的移动之类的亮部和暗部的位移的传感器。与此相对地，本发明的图像传感器10通常是2000左右的像素数，能够准确地针对干涉条纹的移动检测亮部和暗部的边界的移动。并且，能够得到每秒15000帧的信息，因此其信息量多，因此例如在进行姿势检测时产生平均化效果，能够降低噪声，能够更准确地掌握姿势信息。
图像传感器10并不限于图1的(A)的结构，也能够是图2的(A)、(B)那样的应用。在图1的(A)中，在两个像素列(线1、线2)交叉的位置处配置有共有像素4，但在图2的(A)的结构中，在共有像素4的位置和与其邻接的位置没有配置像素。换句话说，将四个像素列(线1‑1~线2‑2)以大致90度的间距放射状地进行配置。该图像传感器110是独立地使用各个像素列的例子，没有共有像素4和其邻接像素，因此，相比于图1的(A)的图像传感器10，能够缩短图像处理时间。
另外，在图2的(B)的图像传感器210的结构中，还在图1的(A)的共有像素4的周围位置处增设有像素8。也就是说，除了两个像素列(线1、线2)的配置位置以外，还在与共有像素4接近的位置(四个位置)处配置像素8，提高了共有信息的准确性。
另外，图3的(A)的图像传感器310的结构是表示以下情况的例子：如图1的(A)那样使正交的两个像素列(线1、线2)在受光面的大致中央处交叉不是本发明的图像传感器的必须条件。该图像传感器310沿着正方形的四边配置有四个像素列。该结构的特征在于：通过在正方形的周边上配置四个像素列，来将共有像素4配置在其四角。而且，通过基于四个共有像素4的信息进行图像处理，由此与将共有像素只配置于传感器中央一处的图1的(A)的结构相比，能够高分辨率地掌握条纹图像。
图3的(B)的图像传感器410的结构例是将图1的(A)的十字线状的两个像素列与图3的(A)的正方形状的四个像素列组合所得的结构，同时具有双方的优点。并且，在该结构中，十字线状的纵横的各像素列的两端的像素和位于正方形状的各像素列的中央的像素形成共有像素4。因而，成为等间隔地配置有合计九个共有像素4的状态，能够以更高分辨率高效地掌握条纹图像。
如上所述，根据本发明的图像传感器，不需要专利文献1的线阵图像传感器那样的在干涉仪与传感器之间的复杂的光学结构，能够直接接收一个条纹的光，通过横向排列的像素列(线1等)和纵向排列的像素列(线2等)来同时获取正交的两个方向的线状条纹。
另外，在干涉条纹的拍摄、规则的条纹图案的拍摄等中，即使不获取条纹整体的详细信息，只获取条纹的片段的信息，也能够估计条纹的变化，因此，存在以下的利用方法：通过这样估计条纹的变化，来检测被照射体的位置、姿势的变化。即，通过本发明的图像传感器高速检测出的线状条纹的信息能够成为对于姿势检测等有效的信息。
此外，本发明的图像传感器并不限于上述实施方式所说明的像素列的组合。即，本发明的图像传感器具有多个像素列，因此，只要如下构成即可：将其中至少两个像素列配置为形成大致90度的交角，通过各个像素列捕获投射于图像传感器的受光面的条纹中的以大致90度交叉的两个方向的线状条纹的像。
<姿势检测器>
接着，根据附图说明本发明的第二实施方式所涉及的姿势检测器20。
图4是利用麦克尔逊型干涉仪12检测被照射体14的姿势的姿势检测器20的结构图，使用了上述的矩形线阵图像传感器10作为干涉条纹的摄像元件。麦克尔逊型干涉仪12具有激光光源16、分束器(BS)以及参考镜18。BS对来自激光光源16的可干涉光进行分割。即，被BS的半透膜22反射的可干涉光照射参考镜18，透过了半透膜22的可干涉光照射被照射体14。如图4所示，将从BS向被照射体14的测量光的光轴作为Z轴。
被照射体14形成有与Z轴大致正交的反射面24，反射来自BS的可干涉光来使该可干涉光返回至BS。该被照射体14的姿势能够按照Z轴方向的位移、绕X轴的旋转以及绕Y轴的旋转这三个自由度进行变化。
参考镜18也同样地，反射来自BS的可干涉光来使该可干涉光返回至BS。
在BS中，被半透膜22反射的来自被照射体14的反射光(测量光)与透过半透膜22的来自参考镜18的反射光(参考光)产生干涉，从而使得干涉条纹投影到配置在这两个反射光的光轴上的图像传感器10的受光面26。
根据以上结构的姿势检测器20，能够形成以激光光源16、BS、参考镜18以及图像传感器10为主要构成要素的简单的光学配置的检测器。
此外，如果构成为将BS设为PBS(偏振光分束器)，在PBS与参考镜18之间和PBS与被照射体14之间分别设置二分之一波片(λ/2)，则能够提高光的回收效率，并且能够抑制虚像条纹的产生。
另外，使用能够高速检测正交的两个方向的线状条纹的上述实施方式的矩形线阵图像传感器10作为干涉条纹的摄像元件，因此，能够提高从姿势信息的获取指令到获取实际的姿势信息为止的响应性，能够高速检测被照射体14的三个自由度的姿势。本发明的姿势检测器也被称为三自由度传感器。
此外，用于姿势检测器20的图像传感器10具备：信号读取单元，其读取与来自多个像素列(线1、线2)的各像素2的受光量相应的照度信号；以及信号处理单元，其根据读取出的照度信号计算线状条纹的亮部(或暗部)的位置。在信号读取单元中能够采用现有的CCD、CMOS等电路。另外，在信号处理单元中能够采用与信号读取单元一体或分体地构成的CPU等运算电路。
而且，信号处理单元具有连接处理部，该连接处理部根据规定时间前后的亮部(或暗部)的位置的变化执行将两个方向的线状条纹的亮部之间(或暗部之间)相连接的处理，以估计平面的条纹图像。设定图像传感器10中的一个像素列的像素数，使得能够得到足够于通过傅立叶变换计算线状条纹的周期性变化的信息量。其最小像素数是四个。
<检测方法的一例>
根据图5~图8说明基于正交的两个方向的线状条纹的图像进行的被照射体14的姿势检测方法的一例。首先，使用图5说明被照射体14的姿势变化与产生的干涉条纹的变化之间的关系。图5表示在使被照射体14绕Y轴旋转的情况下投影到图像传感器10的受光面的干涉条纹的变化。
在被照射体14的初始状态下，调整参考镜18的姿势，使得图5的左侧所示的干涉条纹的亮带32(或暗带34)向45度方向延伸。这样的干涉条纹的初始状态并没有特别限定，但为了高效地检测被照射体14的姿势变化，优选的是图5的左侧那样的初始状态。另外，关于投影到受光面26的干涉条纹的亮带32的个数，尽可能少则对于一条亮带32的分辨率越高，提高姿势检测精度。实际上，根据与图像传感器10的像素数之间的关系和与三个自由度的姿势的检测范围之间的关系，来调整参考镜18的姿势使得变成最恰当的亮带32的个数。而且，在被照射体14绕Y轴旋转而姿势发生了变化的情况下，如图5的右侧那样，干涉条纹的亮带32的倾斜变缓，并且亮带32之间的间隔变窄，投影出的亮带32的个数增加。
接着，使用图6说明本发明的图像传感器10所拍摄的线状条纹的变化。该图与图5对应，示出在姿势变化前后由图像传感器10捕获的线状条纹的像。如图6的左侧所示那样，在初始状态下，根据纵向的像素列(线2)的信息检测其中包含的暗部36(或亮部38)的位置和个数。同样地，根据横向的像素列(线1)的信息检测其中包含的暗部36的位置和个数。在此，也将包含在纵横的各像素列(线1、线2)中的暗部36(或亮部38)的个数称为该像素列中的“线状条纹的密度”。
如图6的右侧所示那样，与变化前相比，姿势变化后的两个线状条纹的像的横向的暗部36的间距PY相同，纵向的暗部36的间距从PZ缩小至PZ’。即，检测出横的线状条纹的密度不变而纵的线状条纹的密度变大。
在该图中，为了简化说明，只通过黑白来区分各像素，但如果是光电二极管那样的像素，则一个像素的信号包含照度信息。因而，通过基于各像素的照度的变化进行图像处理，能够更准确地获取线状条纹的位置、线状条纹的密度。另外，如该图那样，即使无法清楚地区分暗部36和亮部38，也能够根据照度信息准确地获取它们的位置信息。
如上那样，在只有纵的线状条纹的密度(间距PZ)变化的情况下，能够判断为被照射体14绕Y轴进行了旋转。而且，能够获取密度的变化比例作为其旋转角度。同样地，在只有横的线状条纹的密度(间距PY)变化的情况下，能够判断为被照射体14绕X轴旋转而姿势发生了变化。
另一方面，在被照射体14在Z轴方向上产生了位移的情况下，如图7的干涉条纹那样投影的干涉条纹的亮带32(或暗带34)的个数不变，全部的亮带32向同一方向平行移动。也将这样的条纹的变化称为“条纹漂移”。图8与图7对应，示出在姿势变化前后由图像传感器10捕获的线状条纹的像。在只有Z轴方向发生位移的情况下，纵横的各线状条纹的密度不变。即，各线状条纹的亮部(或暗部)的间距PZ、PY不变而只有亮部(或暗部)的位置移动。如果在图8中示出纵向上的特定的暗部42(或亮部44)的位置变化，则可知暗部42(或亮部44)纵向移动了δZ的尺寸。将这样的暗部42的位置的变化量称为线状条纹的相位的变化量。
此外，可知横向上的特定的暗部46的位置也横向移动了δZ的尺寸。另外，纵向的特定的暗部42和横向的特定的暗部46伴随着姿势变化而移动，如该图的右侧所示那样，在共有像素4中一致，因此根据这样的共有像素4的信息，明确地可知两个暗部42、46连接为同一暗带。
如以上的姿势检测的例子那样，用纵横的线状条纹的密度与位置(相位)的变化的组合来表示被照射体14的姿势在三个自由度上的任意动作。也就是说，图像传感器10的线1的线状条纹的密度与绕X轴的倾斜对应，该线状条纹的相位与Z轴方向的位移对应。同样地，线2的线状条纹的密度与绕Y轴的倾斜对应，该线状条纹的相位与Z轴方向的位移对应。因而，能够计算出被照射体的Z轴位移(一个自由度)以及绕X轴的倾斜和绕Y轴的倾斜(两个自由度)这三个自由度的姿势变化。
此外，线1的相位和线2的相位都与Z轴方向的位移对应，因此，也可以求出Z轴方向的位移作为它们的任意一个或平均值。
根据本实施方式的姿势检测器20，通过针对一个干涉条纹在纵向和横向上配置至少两个像素列(线1、线2)，由此与只通过一个方向的像素列来掌握干涉条纹的变化相比，能够更准确地掌握条纹的变化。
在使用两个以上的像素列(线1、线2)的情况下，通过将一个像素列(线1)中的任意阶次的亮部(或暗部)与另一个像素列(线2)中的相同阶次的亮部(或暗部)相连接，估计条纹的整体像，由此能够准确地掌握条纹的变化。具体地说，如本实施方式的图像传感器10那样，在两个像素列交叉的情况下，在交叉的位置处存在共有像素4。或者，如图2的(A)的图像传感器110那样，即使在像素列相互不交叉的情况下，在各个像素列(线1‑1~线2‑2)中也一定存在与其它像素列接近的位置的像素6。通过根据来自这样的两个像素列共有的位置的像素4或接近的位置的像素6的信息进行图像处理，能够容易且准确地执行亮部之间(或暗部之间)的连接。
此外，在本实施方式中，说明了基于麦克尔逊型干涉仪12的三个自由度的姿势检测器20，但干涉方式并不限于此，也可以是使用了斐索型干涉仪等其它干涉方式的姿势检测器。另外，光源16并不限于产生激光那样的单一波长的光的光源，也可以是产生由多个波长构成的光、白色光的光源，在该情况下，能够检测Z轴方向的位移作为绝对值。
<姿势检测器>
根据附图说明本发明的第三实施方式所涉及的姿势检测器。
图9是表示利用光栅投影单元52(光源54和光栅的底版56)进行被照射体14的三个自由度的姿势的检测的姿势检测器120的光学结构的图。
通过使来自光源54的光对准光栅的底版56，将光栅图案(条纹图案)投影到形成于被照射体14的反射面24。而且，通过矩形线阵图像传感器10对所投影的条纹图案进行拍摄。
根据本实施方式的姿势检测器120，能够通过光源54、光栅的底版56、图像传感器10这样的简单的结构来形成检测器。另外，与第二实施方式同样地，使用了矩形线阵图像传感器10，因此响应性高。
此外，该姿势检测器120以通过所谓的图案投影法对被测量物进行三维形状测量的技术为基础。然而，通过使用本发明的矩形线阵图像传感器10将其特殊化为被照射体14的姿势检测这样的用途，由此能够与上述的实施方式同样地实现高速响应的姿势检测器120。
简单说明本实施方式的姿势检测器120的检测方法。
如果光源54或光栅的底版56与被照射体的反射面24之间的间隔增加，则投影到反射面24的光栅图案的亮带的宽度变宽。相反，如果该间隔减少，则光栅图案的亮带的宽度变窄。例如，在使用图2的(A)所示的配置了四个像素列(线1‑1~线2‑2)的图像传感器110作为摄像元件的情况下，将各像素列称为段1‑1、段1‑2、段2‑1、段2‑2，将包含在段1‑1~段2‑2中的线状条纹的亮部(或暗部)的个数设为N1‑1、N1‑2、N2‑1、N2‑2，将段1‑1与段1‑2的中心之间的距离设为L1，将段2‑1与段2‑2的中心之间的距离设为L2。在该情况下，绕X轴的倾斜与[(N1‑1)‑(N1‑2)]/L1对应，绕Y轴的倾斜与[(N2‑1)‑(N2‑2)]/L2对应。Z轴方向的位移与(N1‑1)+(N1‑2)+(N2‑1)+(N2‑2)对应。与第二实施方式同样地，在本实施方式中，也能够计算出被照射体14的位移(一个自由度)和倾斜(二个自由度)这三个自由度的姿势变化。
此外，在本实施方式中投影光栅图案，但投影的图案并不限于此。另外，也可以将姿势检测器构成为：在光源54与被照射体14之间或被照射体14与图像传感器10之间配置其它图案的底版，通过本发明的矩形线阵图像传感器10对由两个图案的干涉产生的波纹图案进行拍摄。总之，对于通过本发明的图像传感器对两个方向的线状条纹进行拍摄的情况来说，优选的是具有亮部和暗部的有规则地交互排列那样的光栅图案。
上述的第二实施方式的姿势检测器20(图4)在要求高灵敏度的姿势检测的情况下有用，另一方面，本实施方式的姿势检测器120(图9)在姿势的变化大的情况、被照射体的反射面24粗糙的情况下有用。
<接触探头和多传感探头>
根据附图说明本发明的第四实施方式所涉及的接触探头220和多传感探头320。图10是将图4所示的姿势检测器20作为接触探头220的内置传感器进行使用的情况下的实施例。
接触探头220在探头主体的壳体62中内置有上述姿势检测器20。姿势检测器20的具体结构与第二实施方式相同。另一方面，姿势检测器20的探测对象是预先设置于姿势检测器20的下部的可动部64，该可动部64被设置于壳体62的未图示的支承体以能够相对于姿势检测器20相对地进行移动的方式支承。
可动部64构成为具有被照射体66、与该被照射体66一体地动作的触针68、以及安装于该触针68的前端并与被测量物W的表面接近或抵接的触头72。而且，未图示的支承体支承该可动部64，使得可动部64的姿势根据触头72与被测量物W的表面接近或抵接而自由地变化。其中，可动部64是与图4的姿势检测器的检测方法同样地只能够进行X轴、Y的旋转、Z方向的平移运动这三个自由度的运动的机构。
该接触探头220通过由内置的姿势检测器20检测可动部64的姿势的变化，能够定量地检测触针68的触头72受到来自被测量物W的表面的作用力时的该触头72在三维坐标上的位移。
此外，姿势检测器20检测由于作为可动部64的一部分的触针68的触头72与被测量物W接近或抵接而产生变化的可动部64的姿势或姿势变化，将具有这样的姿势检测功能的探头整体称为接触探头。如果触针68的长度、触头72的形状已知，则该接触探头220能够根据可动部64的姿势来辨识触头72的三维的位置。根据本实施方式，能够通过非常简单的构造实现高速高精度的接触探头220。
图10只不过是接触探头220的一个实施例，例如也能够通过将可动部64的上表面设为多面体来进行可动部64的六个自由度的姿势检测。并且，如果能够将图10所示的可动部64从姿势检测器20拆卸，则能够实现能够在外置传感器和内置传感器这两者中使用姿势检测器20的多传感探头。
图11中示出多传感探头320的一例。在接触探头的壳体62的下部设置有自由装卸的支承部74。可动部64被该支承部74以自由进行三个自由度的姿势变化的方式支承。如该图的左侧所示那样，在通过支承部74安装有可动部64的状态下，能够发挥图10的接触探头的功能。
如该图的中央所示那样，通过针对每个支承部74从壳体62卸下可动部64，由此如该图的右侧所示那样，还能够发挥用于检测其它检测对象物80的姿势的功能。检测对象物80具有被支承为相对于基座86自由地进行三个自由度的姿势变化的可动部82，在该可动部82的上部形成有反射面84。通过将反射面84配置于与可动部64的反射面24相同的位置，能够高速、高精度地检测可动部82的姿势。