JP6068593B2 - タッチプローブに対してビジョンシステムを校正するためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

［関連出願］
本出願は、２０１５年２月３日に出願された「タッチプローブに対してビジョンシステムを校正するためのシステム及び方法」と題する米国仮特許出願第６２／１１１，６４４号、２０１４年１２月３１日に出願され「タッチプローブに対してビジョンシステムを校正するためのシステム及び方法」と題する米国仮特許出願第６２／０９８，８９４号、及び２０１４年１０月２３日に出願された「タッチプローブに対してビジョンシステムを校正するためのシステム及び方法」と題する米国仮特許出願第６２／０６７，９５７号の優先権を請求するものであり、各出願のすべての開示内容が参照によって本願に組み込まれる。

［技術分野］
本発明はマシンビジョンシステム、及びより具体的には検査及び製造工程で使用されるビジョンシステムの校正に関する。

製造及び組立工程においては、対象物表面をより高い精度で測定することがしばしば望ましい。このような測定を高い精度（例えばミクロンのオーダー）と低い騒音で実行するための１つの技術は、座標測定機（ＣＭＭ）を用いることである。ＣＭＭは対象物表面にタッチプローブを適用するもので、タッチプローブは動く移動ステージに取り付けることができる（又は代替的にタッチプローブを動かすことができる）。運動（例えば物理的ｘ座標及び物理的ｙ座標方向における平面に沿った運動）が起きると、プローブは対象物表面に沿って若干数の位置に接触し、これにより対象物表面上の種々の位置に関して全体的変位（例えば物理的ｚ座標方向における変位）のマップを生成する。

製造環境−例えば組立及び／又は品質管理−でタッチプローブを使用する際の課題は、検査においてタッチプローブをワークピース上の適当な位置に位置決めすることにある。例えば機能性又は適切な寸法を決定するために、ワークピース内の幾つかの要素にプローブで触れる。しばしばワークピースは移動ステージなどの動く表面の上に置かれるか、又は検査エリアで治具に取り付けることができる。タッチプローブは、タッチプローブ／ＣＭＭ内部座標系（ｘ、ｙ、ｚ、回転Ｒ）と間のワークピース座標系との間のマッピングに従いワークピースに対して相対的に動く。従ってワークピース座標系に対してプローブの座標系を登録することは、典型的にワークピース上の幾つかの基準点が特定されてマッピングされることを要求する。例えばワークピースは、基準点又はデータムとして用いられる既知のエッジやコーナーを含むことができる。ワークピース所定の基準、例えば印刷した十字線などを含んでもよく、これらはタッチプローブの運動に対する初期基準点を設定するために使用できる。また、これらの基準は、他の場合にはタッチプローブによって検出されるような表面の起伏（例えば軸方向における高さの変化）がなくてもよく、従って基準点を見つけるのに専ら視覚的特徴のみに依拠する。

関連分野では、ロボットコンポーネント−例えばエンドエフェクタ、部品ハンドラなど−を作業空間内で案内（位置決め）するのを支援するためにマシンビジョンシステム（ここでは簡単に「ビジョンシステム」と呼ぶ）を用いることが知られている。典型的にこのようなビジョンシステムは、ロボットコンポーネントとワークピースを包含するシーンを撮像するために取り付けた１台以上のカメラからなる。各々のカメラは、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ又はその他のグレースケール又は色による適切な撮像技術に基づくイメージセンサ又は「イメージャ」を含む。イメージャは画像データをプロセッサに提供する。プロセッサはカメラ本体と一体化されてよく、及び／又は適当な有線及び／又は無線リンクを介して接続されたリモートコンピューティングデバイス、例えばスタンドアロンＰＣ、ラップトップ、ラブレット、スマートフォン又は同種のものに配置されてよい。プロセッサは種々の機能を有するビジョンシステムアプリケーション／プロセスを含んでおり、それらの機能にはエッジ検出及びブロブ解析ツール、一般的パターン認識ツール、アライメントツール及び／又は検査ツールが含まれるが、これらに限らない。これらの機能及びツールは、ビジョンシステムがワークピース上の特徴を認識し、それを実行時動作に先行する訓練及び校正段階で確定される内部座標系に対してアライメントするのを可能にする。

タッチプローブを併用したビジョンシステムの使用は、ランタイム中にタッチプローブ上のタッチポイントの位置特定が曖昧になる可能性があり、一般的にカメラにとって良好な視角を得ることが難しいという課題を伴う。より一般的に、タッチプローブを併用したビジョンシステムの使用は、システムの校正も含めて困難である。そのような困難は、ＣＭＭが単一の動くアーム上に多数のチタッチプローブを用いる場合はさらに増すことになる。

本発明は、例えばＣＭＭ上でカメラに対してタッチプローブのより正確な校正を可能にする校正治具を提供することによって先行技術の短所を克服し、プローブが触れているポイントに対して相対的なカメラの直接観測でハンドアイ校正プロセス（以下に説明する）を行うことができる。カメラはその光軸がプローブのｚ軸と概ね若しくは実質的に平行になるように取り付けられている。プローブとワークピースは、直交するｘ軸とｙ軸、及び随意にｚ軸及び／又はｚ軸を中心とした回転Ｒによって画定される（少なくとも１つの）平面に沿って相対的に動く。校正治具は、プローブの接触面の下方から撮像し、１８０度プリズム構造を経由して、光をプローブのタッチポイントから光軸に沿ってカメラに戻すように配置されている。平行リレー光学系アセンブリは、全１８０度プリズムアセンブリを構成する１対の直角（９０度）プリズムの間に置くことができる。カメラの光軸とプローブ接触面は互いに既知の向きにあり、治具を用いてハンドアイ校正を実行するとカメラの内部座標は正確にプローブ／ＣＭＭ座標系にマッピングできるようになっている。そのようなものとして、実行時にカメラがその視野内にワークピース特徴の位置を特定したら、この特徴からのプローブの距離と向きは（マッピングに基づいて）正確に知られ、ＣＭＭを１以上の軸に沿って既知の距離だけ動かすことによりプローブを特徴に向って並進／移動させることができる。

より一般的に、本発明はカメラとプローブとの間のオフセットを正確に校正するためのシステム及び方法を提供し、その際にカメラは共通の平面を「見る」のに対して、プローブは共通の平面に「触れる」。プローブは電気的プローブ及び機械的プローブを含む種々のタイプのものであってもよい。共通の平面は、例えば回路基板、半導体ダイ又はタッチディスプレイであることができる。カメラとプローブはロボット又はステージ（例えばＣＭＭ配置構成）上に一緒に不動に取り付けられており、ロボット又はステージが動くときに固定したオフセットを維持する。システム及び方法は、「タッチビューサーフェス」（ＴＶＳ）と「ビューポート」（ＶＰ）を組み入れた校正治具を含んでいる。校正治具は、ＴＶＳとＶＰとの間の変位がカメラとタッチプローブの間の固定された変位にほぼ一致するように適合されている。ＴＶＳは基準ターゲット（例えば表面にめっきされた金属照準線）を含む。

別の実施形態において、システム及び方法は動くロボット又はステージに対して不動に取り付けた第１の（基準位置特定）カメラと、各々ビームスプリッタと光学的に通信する照明器とターゲットを組み合わせる校正治具に対して取り付けた第２の（プローブ位置特定）カメラを用いる。プローブ位置特定カメラは、ターゲットを直角のビームスプリッタミラーを経由してミラーとターゲットを通る照明ビームで見るようにアライメントされた（第１の）光軸／カメラ軸を規定して、ターゲットの画像をその（第２の）光軸／カメラ軸に沿って基準位置特定カメラに投射する。動作時にプローブ位置特定カメラは１個以上のプローブ先端と基準とのアライメントを決定するために使用され、基準位置特定カメラはそのピクセルに対して基準位置を特定するために使用される。このようにしてＣＭＭ座標系において各プローブに対して相対的な基準位置特定カメラからのオフセットが決定され、これらのオフセットは実行時に使用されて検査においてカメラ（プローブを包含している）がＣＭＭアームを対象物上の適当な位置に動かせるようにする。

例示的な実施形態において、タッチプローブを案内するためのビジョンシステムが提供される。システムは、縦軸を有する動くタッチプローブアセンブリに対して取り付けた、カメラ軸を有するビジョンシステムカメラアセンブリを含む。オフセット間隔Ｓを置いて配置された平行な軸の間で光路を１８０度曲げるプリズムアセンブリを規定する校正治具が設けられている。例示的に、オフセット間隔Ｓはタッチプローブ縦軸とカメラ軸との間隔と概ね等しく、ＴＶＳを包含するタッチプローブはカメラ軸に沿ってＶＰ内で見える。システムは治具の光路内にリレーレンズアセンブリを含むことができる。例示的に、校正治具はフィールドレンズを含むことができる。フィールドレンズは典型的にＶＰプリズムの頂面に置かれて、タッチポイントの取得された画像が接触面と同じ焦点距離で現出するようにし、より一般的に視差を減らし、カメラ視野全体の照明を均等にする。

例示的な実施形態において、タッチプローブからの反射光によって生み出される視差を減らし、カメラアセンブリの視野全体の照明を均等にするために、光路内でプリズムアセンブリ上にフィールドレンズアセンブリを配置できる。例示的に、プリズムアセンブリは、上面に基準を含むタッチビューサーフェス（ＴＶＳ）を備えた第１の直角プリズムと、ＴＶＳの画像を取得するためのビューイングポート（ＶＰ）を備えた第２の直角プリズムを有する。光をＴＶＳに隣接して第１の直角プリズムに送る照明アセンブリを設けることができ、この照明アセンブリは第２の直角プリズムの傾斜壁に隣接して配置されたビームスプリッタを有して、このビームスプリッタとリレーレンズアセンブリを通して光を第１の直角プリズムに送ることができる。代替として、ビームスプリッタは第１の直角プリズムの傾斜壁に隣接して配置されて、このビームスプリッタを通して光を上方に送ることもできる。代替的な実施形態に従い、照明アセンブリは光を第１の直角プリズムの傾斜壁を通して送って第１の直角プリズム内に全反射（ＴＩＲ）を生成するように配置できる。この配置構成において、照明光はこれによりタッチプローブが触れるＴＶＳ上の位置に対して相対的な位置でＶＰ内にグリントを投射する。

別の例示的な実施形態において、動くタッチプローブアセンブリと併用したビジョンシステムを校正するための方法が提供される。カメラ軸を有するカメラは、タッチプローブアセンブリの縦軸に対して向きを整えて取り付けられている。プリズムアセンブリはオフセット間隔Ｓを置いて配置された平行な軸の間で光路を１８０度曲げる（別個に９０度ずつ曲げる）。間隔Ｓは、タッチプローブ縦軸とカメラ軸との間隔にほぼ等しい。プリズムアセンブリは上面に基準を含むタッチビューサーフェス（ＴＶＳ）と、ＶＳの画像を取得するためのビューイングポート（ＶＰ）を規定する。プローブが基準に触れてアライメントポイントを確定し、タッチプローブモーションコントローラによってプローブの位置がＰＯＳＩＴＩＯＮＰＲＯＢＥＡＬＩＧＮＥＤとして記録される。次にタッチプローブと不動に装着されたカメラとはモーションコントローラによって並進されて、カメラがＴＶＳ上の基準を見るようにアライメントされ、タッチプローブの位置がＰＯＳＩＴＩＯＮＣＡＭＥＲＡＡＬＩＧＮＥＤとして記録される。次いでオフセット間隔がＰＯＳＩＴＩＯＮＣＡＭＥＲＡＡＬＩＧＮＥＤとＰＯＳＩＴＩＯＮＰＲＯＢＥＡＬＩＧＮＥＤとの差として計算される。例示的に、実行時に計算されるオフセット間隔は、カメラによってワークピース上で特定される特徴に基づいてプローブをワークピースの位置に動かすために使用される。

別の例示的な実施形態において、アセンブリ２台のビジョンシステムカメラを用いてタッチプローブを案内するための例示的なビジョンシステム及び方法が提供される。校正治具が設けられている。治具は、タッチプローブアセンブリと治具との間の運動に基づいて選択的にタッチプローブと接触できるように配置された基準を含む。校正治具は、照明光が光源から基準を通って進む経路と、基準を通して見るための角度に曲げられて上方の空間に進む第１の光路のいずれも可能にするビームスプリッタを含んでおり、選択的にタッチプローブアセンブリを有する。第１のビジョンシステムカメラアセンブリはビームスプリッタに対して配置されており、第１の光路に沿って配置された第１のカメラを規定する。第２のビジョンシステムカメラアセンブリは、第２のカメラ軸がタッチプローブアセンブリに対して不動に組み付けられており、選択的に光源によって照明された基準を見る。この配置構成は例示的に、治具に対して各々選択的に可動な複数のタッチプローブアセンブリを含んでおり、各々のタッチプローブアセンブリは選択的にそれぞれ基準と接触する。各々のタッチプローブアセンブリは第２のカメラアセンブリに対して不動に装着されている。例示的に、タッチプローブからの反射光によって生み出される視差を減らし、カメラアセンブリの視野全体の照明を均等にするために、第１の光路内に配置され得るフィールドレンズアセンブリを含む。例示的な実施形態において、タッチプローブアセンブリは座標測定機（ＣＭＭ）の動くアーム上に置かれており、ＣＭＭはアームの運動を追跡するコントローラを含んでいる。第１のビジョンシステムカメラと第２のビジョンシステムカメラの各々は、それぞれタッチプローブが基準に接触して第２のカメラ軸が基準とアライメントされると、コントローラに基づいてアームの位置を記録するためのフィードバックを提供する。このようにしてタッチプローブアセンブリと第２のビジョンシステムカメラアセンブリとの間の相対的なオフセットを、実行時動作に使用するために計算できる。

別の例示的な実施形態において、タッチプローブアセンブリを校正するためのビジョンシステムはマウントベースと、カメラと、レチクル、フィールドレンズ、ビームスプリッタ、非球面レンズアセンブリ及び照明源を有する光学ブロックとを含む単一のユニットに統合されてよい。カメラはレチクルに配置されたＴＶＳから光を受け取り、ビームスプリッタの反射面で直角に反射される。照明源は軸方向に反射面とレチクルを通ってプローブに投射される。光学ブロックは光漏れを防ぎ、環境汚染の侵入を抑制するために、カメラアセンブリのレンズ端部の少なくとも一部も覆うハウジングカバーによって覆われている。

例示的に、ビームスプリッタと照明光は、第２のビジョンシステムカメラを支持するマウントベースに対して光学ブロック内に取り付けられており、光学ブロックはタッチプローブと接触するように適合されたレチクルを有する。レチクルは一般に基準パターンと、照明光とビームスプリッタとの間の光調整レンズを規定する。光調整レンズは、１対の凹レンズと凸レンズを備えた非球面レンズアセンブリを含んでよい。例示的に、レチクルとビームスプリッタとの間にフィールドレンズが配置されている。例示的に、ハウジングカバーが光学ブロックと第２のビジョンシステムカメラの少なくとも一部の上に取り付けられている。光源は、ＬＥＤアセンブリを実装した回路基板を含むことができる。回路基板はレチクルが取り付けられている光学ブロックの端部とは反対側の光学ブロックの端部に取り付けることができる。

別の例示的な実施形態において、第１のビジョンシステムカメラを校正するための統合された校正装置が設けられている。この配置構成は、ワークピースをタッチプローブに対して案内する。この配置構成は、第２のビジョンシステムカメラを取り付けるベースと、照明されたレチクル上の基準パターンを有する光学ブロックを含む。レチクルは選択的にタッチプローブと接触するように適合されており、また選択的に第１のビジョンシステムカメラによって見られる。ビームスプリッタは光学ブロック内に配置されており、この光学ブロックはレチクルを照明する光源の光路を、第２のビジョンシステムカメラの光路と合流させる。このようにすると、第１のビジョンシステムカメラは、見られたレチクルの位置をタッチプローブアセンブリの座標空間において特定でき、第２のビジョンシステムカメラはレチクルとアライメントされた状態のタッチプローブを見ることができる。これらの２つのアライメントはプロセッサによって調整されて、タッチプローブを第１のビジョンシステムカメラの視野に対して校正することができる。

他の実施形態において、縦軸を有する動くタッチプローブアセンブリに対して取り付けた、カメラ軸を有するビジョンシステムカメラアセンブリが設けられている。プリズムアセンブリを規定する校正治具は、オフセット間隔Ｓを置いて配置された平行な軸の間で光路を約１８０度曲げ、間隔Ｓは縦軸とカメラ軸との間隔と概ね等しい。照明アセンブリは照明を第１の面を通してプリズムアセンブリ内の第１のプリズムに向ける。第１のプリズムはタッチプローブアセンブリの先端部と対面する頂面を含む。照明は全反射で２回反射されて第１の面を通して第１のプリズムから出る。第１のプリズムは先端部が頂面に接触するか、又は頂面の上の少ない波長内にあるときは、全反射が漏れてエバネセント波が先端部と結合し、これにより光は頂面を通って漏れるように設計及び配置されている。そうして漏れた光は先端部から散乱して、正常（９０度）に近い入射角で第１のプリズムに再入して先端部の接触点からビジョンシステムカメラアセンブリを通って進む。これは実際にプローブをプリズム表面に接触させることなく（無接触で）、タッチポイントの位置を比較的正確に特定することを可能にする。

以下に、本発明を添付の図面を参照して説明する。

例示的な実施形態に従う座標測定機（ＣＭＭ）タッチプローブアセンブリ及び関連するビジョンシステムカメラと併用して配置された校正治具のブロック図である。 図１のＣＭＭタッチプローブアセンブリ及び関連するビジョンシステムカメラと併用して配置された、フィールドレンズを含む代替的な実施形態に従う校正治具のブロック図である。 図１のＣＭＭタッチプローブアセンブリ及び関連するビジョンシステムカメラと併用して配置された、治具基準の下でアライメントされた照明ビームスプリッタを含む別の代替的な実施形態に従う校正治具のブロック図である。 図１のＣＭＭタッチプローブアセンブリ及び関連するビジョンシステムカメラと併用して配置された、漏れた全反射（ＴＩＲ）を提供するためのエバネセント結合を含む別の代替的な実施形態に従う校正治具のブロック図である。 実施形態図１〜４のいずれかの校正治具の治具を用いた例示的な実施形態に従う校正プロセスのフローチャートである。 基準を照明するために照明源を投射する治具ビームスプリッタミラーを通して基準とタッチプローブを見るように配置された第１のビジョンシステムカメラと、及び、ＣＭＭタッチプローブに対して不動に取り付け、治具基準を見ている状態で示された第２のビジョンシステムカメラとを含む別の代替的な実施形態に従う校正治具配置構成のブロック図である。 随意に多数のタッチプローブを含む、ＣＭＭタッチプローブアセンブリに対して配置された図６の校正治具のブロック図である。 タッチプローブの１つを基準とアライメントされた状態で示す、第１のビジョンシステムカメラがプローブと基準とのアライメントを見る、図７の配置構成のブロック図である。 図６〜図８の実施形態に従う校正治具の治具を用いる、別の例示的な実施形態に従う校正プロセスのフローチャートである。 例示的な実施形態に従いマウントベース、カメラアセンブリ、光学系アセンブリ及びハウジングカバーを有する統合された校正装置の斜視図である。 ビジョンシステムカメラアセンブリを省略した、図１０の統合された校正装置の分解図である。 ハウジングカバーを取り外した、図１０の統合された校正装置の上方斜視断面図である。 光学ブロックを通して見られた、ハウジングカバーを取り外した、図１０の統合された校正装置の側方斜視断面図である。 ハウジングカバーを取り外した、図１０の統合された校正装置の上方断面図である。 図１０の統合された校正装置の光学ブロックと共に使用するための例示的なレチクルの平面図である。

図１は、製造又は検査配置構成１００の一般化された概観図を示す。この配置構成は、ＣＭＭタッチプローブ１１０又は類似のデバイスを用いて検査されるワークピース（ここでは「対象物」とも呼ぶ）を用いる多様な製造及び／又は品質管理目的に使用できる。図示の配置構成１００は、レンズ１２４（仮想線で示す）が光軸ＯＡに沿って配置されたカメラアセンブリ１２２を有するビジョンシステム１２０を含んでいる。照明アセンブリは、一般的に実行時にワークピースの表面に照明を提供するために、カメラ本体の正面１２８に含まれてよい。以下に記述するように、配置構成の校正治具（１７０、以下に説明する）の一部であるビームスプリッタプリズムを通して光を照射する追加の照明アセンブリをターゲットの下に置くことができる。カメラ１２２は、画像データ１２６を生成するイメージャ（図示しない）を含む。画像データ１２６は有線、無線及び／又は内部リンク１３３を経由して付属のビジョンプロセッサ１３２を有するプロセッサアセンブリ１３０に送られる。ビジョンプロセッサ１３２はカメラ本体の内部に又は全部（若しくは一部）カメラ１２２から離れて存在してよい。離れた配置構成においてプロセッサアセンブリ１３０は汎用又は専用計算装置、例えばＰＣ、ラップトップ、タブレット又はスマートフォンに内蔵されることができる。カメラ１２２が内蔵画像処理を行う場合、処理の結果はデータとして別の離れたプロセッサ又はデバイスに送られて、さらに以下に説明するようにＣＭＭ運動制御プロセス（及びその他のビジョンに基づくプロセス、例えばアライメント及び／又は検査）に使用される。ビジョンプロセッサ１３２は典型的に関連するビジョンプロセス、例えばパターン認識及び／又は検索ツールを含んでおり、これらはコグネックス社（マサチューセッツ州ネイティック）など様々な供給業者から調達できる。

ここで用いる「プロセス」及び／又は「プロセッサ」という言葉は広く解釈して、電子ハードウェア及び／又はソフトウェアをベースとする多様な機能及びコンポーネントントを含むものであることに留意されたい。さらに、図示のプロセス又はプロセッサは他のプロセス及び／又はプロセッサと組み合わせ、又は種々のサブプロセス又はプロセッサに分割されることができる。そのようなサブプロセス及び／又はサブプロセッサは、ここに記載する実施形態に従って様々に組み合わせることができる。同様に、ここに記載された何らかの機能、プロセス及び／又はプロセッサは、プログラム命令の非一時的コンピュータ可読媒体からなる電子ハードウェア、ソフトウェア、あるいはハードウェアとソフトウェアの組合せを用いて実施できることが明確に想定されている。

プロセッサ１３０は校正プロセス／プロセッサ１３４及び関連するツール／アプリケーションも含む。さらに以下に説明するように、これらのツールは、ビジョンシステム内部で種々の校正機能を実行するために採用されている。一般に、これらの機能は、さらに以下に説明するワークピース及び／又はＣＭＭの座標系に対するビジョンシステムのハンドアイ校正を含む。背景情報として、マシンビジョンのハンドアイ校正のために、校正治具及び関連する校正基準は典型的に複数の所定の姿勢に移動されて、カメラがそれぞれの基準の画像を取得する。このようなハンドアイ校正の目的は、「運動座標系」におけるカメラと校正治具（少なくとも１個の校正基準を含む）の剛体姿勢を決定することである。運動座標系は多様な方法で規定できる。各姿勢における数字（基準及び／又はカメラが存在する空間内の場所を示す）は適当な座標系において解釈されるべきである。単一の統一された座標系が選択されたら、姿勢及び運動はそのグローバル座標系において記述／解釈される。この選択された座標系はしばしば「運動座標系」と呼ばれる。典型的に「運動」は物理的運動を付与する物理的デバイス（例えば以下に記すＣＭＭ）、ロボットアーム、又は構台などの移動ステージによって提供される。校正治具／基準が１台以上の定置カメラに対して相対的に動いても、あるいはカメラが校正治具／基準に対して相対的に動いてもよいことに留意されたい。このような運動デバイスのコントローラは、数値（即ち姿勢）を用いてデバイスに何らかの所望の運動を付与するように命令し、それらの値は当該デバイスに対する局所座標系において解釈される。運動デバイス及びカメラに対して相対的な共通のグローバル座標系を提供するために任意の運動座標系を選択できるが、運動デバイスの局所座標系（例えばそのｘ軸とｙ軸）を全体運動座標系として選択することがしばしば望ましいことに留意されたい。こうしてハンドアイ校正は、運動を付与する（校正基準を動かすか、又はカメラを動かす）ことによって単一の運動座標系に対してシステムを校正し、当該運動の前と後の画像を取得して動く対象物でそのような運動の効果を決定する。ビジョンシステムがハンドアイ校正を用いる場合、その校正プロセスは画像内で観測される運動効果を命令された運動（命令された運動データは知られている）と相関させることにより姿勢を解決する。校正の別の結果は、カメラの画像内の各ピクセル位置と運動座標系における物理的位置との間のマッピングであり、撮像されたシーン（画像空間又はここでは検査体積空間とも呼ぶ）における位置を見つけた後、運動座標系における位置を並進させることができ、運動デバイス（ＣＭＭ）はそれに作用するように命令されることができる。

図１に示されているように、配置構成１００はＣＭＭ１４０を含んでおり、これは座標系の矢印１５０で図示されている通りｘ軸、ｙ軸、ｚ軸及び少なくとも１回転軸Ｒ（ｚ軸中心）に沿って運動を提供する。ＣＭＭの構造は極めて可変である。種々のよく知られた実施形態においてＣＭＭは検査体積空間１５２内の検査エリアにまたがるアームアセンブリ（詳しく図示しない）からなる。検査エリアは、ワークピースを典型的に治具に受容する振動のない硬い表面である。線形アクチュエータがアームを上記のｘ、ｙ、ｚ及びＲの方向に動かす。各線形アクチュエータの運動／位置はエンコーダ又は他の運動測定デバイスによって追跡される。この運動／位置データ１４２がプロセッサ１３０（又は別のプロセッサ／コンピュータ）に送られて、ＣＭＭ制御プロセス／プロセッサ１４４によって処理されることができる。ＣＭＭ制御プロセス／プロセッサ１４４はまた、位置データ１４２からのフィードバック及びビジョンシステムの入力に基づいて制御情報１４６を用いてＣＭＭを案内する。

ＣＭＭは、動くプローブベース１６０上に取り付けたタッチプローブ１１０を案内する。タッチプローブ及びベースは、（少なくとも）ｚ軸方向に沿って極めて敏感に接触し、何らかの変位Ｔｚがあればタッチ信号１６２が生成されて、プロセッサ１３０に送られてビジョンシステム及びＣＭＭモーションコントローラ１４４によって使用される。即ち、タッチプローブがワークピースの周りを動かされるときにワークピース表面と、典型的にｚ方向に沿って接触させられる。タッチポイント１６４が表面と接触する場所の座標は制御され記録される。この例では、タッチポイントは研磨されて鏡面をなす金属球によって規定され、その使用は以下に説明する。タッチプローブを用いる実行時動作の１例は、タッチスクリーンの検査で種々のスクリーン座標に触れるとそれらの座標に対して予想される入力に転移することを保証する。

ビジョンシステムカメラ１２２は例示的にＣＭＭプローブホルダ１６０及びアーム１６１に対して固定されており（バー１６６で代表）、これにより検査エリア１５２に対する既知の焦点距離を維持する。即ち、アーム１６１が動くとカメラはｚ方向でその光軸ＯＡに沿ってプローブ自体と同じ量動く（プローブはその固有の縦軸（破線１６３）に沿ってｚ方向に動く）。カメラをＣＭＭに対して相対的に保持するための具体的な取付けシステムは極めて可変である。一般に、カメラはプローブホルダ１６０及びアーム１６１に対して相対的に動きながら、ｚ方向に対して実質的に平行な光軸ＯＡとの既知のオフセット間隔を維持するように取り付けられている。従ってプローブが検査エリアで動かされると、カメラは正確且つ一定の間隔／オフセットＳでその動きに追従する。実施形態において、プローブの縦軸１６３からのカメラの軸ＯＡの間隔／オフセットＳは、ＣＭＭ運動のｘ軸及び／又はｙ軸に沿って約２０〜６０ミリメートルである。しかしながらカメラ軸のプローブに対する相対的な間隔及び位置は、他の実施形態において極めて可変である。

例示的な実施形態において、配置構成１００はビジョンシステムカメラの視野をタッチプローブ１１０のタッチポイント１６４及び関連するＣＭＭ座標系にマッピングするために校正治具アセンブリ１７０を採用する。その目的は、カメラがワークピース上の特徴（例えば基準、エッジ、コーナーなど）の位置を特定したら、ＣＭＭタッチプローブ１１０がその特徴に対して相対的に正確に案内され得るようにすることである。従って、ビジョンシステムプロセッサはワークピースの姿勢を決定して、ＣＭＭモーションコントローラ座標系におけるワークピースの座標を確定する。治具アセンブリ１７０は、図示されているように互いに相対して向けられて共同で頂面１７４を規定する１対の直角プリズム１７２及び１７３を含んでいる。頂面１７４は、一般的にプローブとカメラ軸との間隔／オフセットＳより大きい全幅ＷＰにわたって延びる。各々のプリズム１７２及び１７３はそれぞれ反対方向に傾斜壁１７６及び１７８を含み、壁は各々４５度の等しい角度ＡＰで内方に対向して延びている。これらの壁１７６、１７８は各々プリズムを通る光路ＯＰを約９０度曲げるので、全体として経路ＯＰは図示されているようにプリズム内で間隔／オフセットＳを縦断する。このようにして、プローブ１１０のタッチポイント１６４はＯＡカメラ１２２の光軸に沿って現出する。

例示的な実施形態において、プリズム１７２、１７３によって画定される頂部平面１７４はターゲット又は基準１８０を含む。基準１８０は図示の（例えば左側の）プリズム１７２の頂部に配置されており、ここでは「タッチビューサーフェス」（ＴＶＳ）と定義され得る。基準１８０から出た光は、図示されているように光路ＯＰに沿って治具１７０全体を通り、「ビューポート」（ＶＰ）と定義され得る頂面を通過して図示の（例えば右側の）プリズム１７３に送られる。基準は、様々な技術−例えば金属蒸着、スクリーン印刷及び／又はエッチングを用いてプリズム１７２の頂部に付けることができる。何らかの受入れ可能な基準パターン／デザイン、例えば図示の同心円と十字線の組合せを実装できる。一般にプローブが基準の上に載って配置構成の向きを支援すると、基準１８０はプリズムアセンブリ１７２、１７３を通るカメラに見える。特に、プリズムアセンブリ１７２、１７３は、画像光線１８８を２個のプリズムの間で平行にする（コリメートする）１対のリレーレンズ１８２も含む。リレー光学系／レンズアセンブリ１８２の出力と形状は極めて可変であり、その設計は光学分野の当業者には明らかな筈である。１実施形態において、リレー光学系はテレセントリックレンズとして配置されている。図１の表現で画像光線１８８は実線で示されているのに対し、照明光線１８９（以下に説明する）は破線で示されていることに留意されたい。以下参照。

治具アセンブリ１７０は、照明源（例えばＬＥＤユニット１９２）と集光レンズ１９４からなる統合照明アセンブリ１９０を含む。照明アセンブリ１９０は典型的に従来の設計で、ビームスプリッタ１９６の後方で光路ＯＰに沿って配置されている。ビームスプリッタ１９６は照明光が図示されているように直接プリズム１７３の傾斜壁１７８を（カメラ光軸ＯＡを横断して直角に）通過できるようにする一方、画像光線は光軸ＯＡに向って９０度曲がることができるようにする。照明光線１８９はビームスプリッタ１９６から平行リレー光学系１８２を通り、プリズム１７２の壁１７６で９０度曲がる。次に光は基準１８０を通ってプリズム頂部から飛び出す。図１に示された配置構成１００において、カメラはビューポートを通して照明されたタッチポイント１６４と照明された基準パターン（１８０）を見る。

治具アセンブリ１７０は見やすくするために付随するフレームなしで示されていることに留意されたい。プリズム１７２、１７３、リレー光学系１８２、照明アセンブリ１９０及び他の要素（例えば以下に説明するフィールドレンズ）を１個の統合ユニットに不動に保持するために、何らかの受入れ可能なフレーム又はハウジングを採用できる。治具及びそれに付随するハウジング又はフレームは、典型的に校正手順の間だけ検査体積空間内にある一時的に装着した（取外し可能な）校正器として、ＣＭＭの検査体積空間１５２に選択的に配置し、再び取り外すために適合されてよい。代替として、治具フレーム／ハウジングは、（例えば）ワークピースが取外し可能に配置された検査エリアの下方の位置に恒久的に取り付けられてもよい。恒久的に取り付ける場合は、ワークピースを保持するステージ内に組み込み、又はステージの下方に配置できる。空間１５２における治具１７０のｚ方向の移動量は広範に変えることができる。なぜならプローブが適当なｚ軸の距離を動いて頂部平面１７４に触れると、不動に装着されたカメラは自動的に頂部平面１７４から既知の焦点距離に位置決めされるからである。即ちカメラはプローブと同期して上下に移動する。

図２は、上述（図１参照）のように配置された直角プリズム２７２、２７３、リレーレンズ２８２及びＴＶＳプリズム２７２上の基準２８０を有する校正治具２７０の代替的な実施形態を含む配置構成２００を示す。照明アセンブリ２９０も上述したように（図１参照）、ビームスプリッタ２９６に対してＶＰプリズム２７２に沿って配置されている。特に、ＶＰプリズム２７３の頂面は複数の目的に用いられるフィールドレンズ２５０を含む。フィールドレンズ２５０は、全カメラ視野にわたり（フレネルレンズの方式で）より明るい改善された照明パターンを生成し、より一般的にはカメラレンズ１２４をテレセントリックレンズのように挙動させる。フィールドレンズはプローブの双球ジオメトリによって、反射された光の「グリント」がレンズ２５０なしでＴＶＳプリズム２７２の頂面の上方に現出する視差エラー原因も減らす（代償する）。逆に、フィールドレンズ２５０はグリントを頂面の平面（図１の１７４）に動かす。一般に、フィールドレンズ２５０は画像の焦点をカメラ１２２の入射瞳に置く。

上記のフィールドレンズ（２５０）はここに図示及び記述されるいかなる治具実施形態にも取り付けられることが想定されている。全体の記述をより明確にするためにフィールドレンズは図示の実施形態から省略されている。

図３を参照して、配置構成３００は上述（図１参照）のように配置された直角プリズム３７２、３７３、リレーレンズ３８２及びＴＶＳプリズム３７２上の基準３８０を有する校正治具３７０の別の代替的な実施形態を示す。この実施形態において、照明アセンブリ３９０はＴＶＳプリズム３７２に沿って取り付けたビームスプリッタ３９６に対して配置されている。照明光線は直接上方に投射して、プローブ１１０の縦軸に沿って傾斜壁３７６を通過する。この実施形態及び他の実施形態において、照明アセンブリ３９０の集光レンズ３９４はビームを拡張して基準３８０をテレセントリックレンズの方式で効果的にカバーする。従ってこの実施形態では、照明光線はリレー光学系に沿って移動しない。

図４は、上述（図１参照）のように配置された直角プリズム４７２、４７３、リレーレンズ４８２及びＴＶＳプリズム４７２上の基準４８０を有する、校正治具４７０のさらに別の代替的な実施形態の配置構成４００を示す。照明アセンブリ４９０は、傾斜したＴＶＳプリズム壁４７６に対して直角な軸ＩＡを有する集光レンズ４９４を備えて配置されている。これにより軸ＩＡは照明源４９２と、プリズム４７２の反対側の直角コーナー４９８とを通って延びるように規定される。従って照明光線はビームスプリッタなしで直接プリズム４７２内に送られ、プリズム内で全反射（ＴＩＲ）を経るように図示の通り向けられる。特にこの照明配置構成の結果として、プローブタッチポイント１６４の先端部がプリズム４７２の頂面と接触すると、エバネセント結合ＴＩＲとして定義される効果が生じる。この接触の結果、反対側のプリズム４７３のビューイングポート（ＶＰ）に高コントラストのグリント又はフラッシュが生じる。取得された画像内のこのような高コントラストのポイントは、プローブの位置を不正確にしかねないバックグラウンドノイズを除去することにより、有利には校正プロセスを容易にする。

さて、ここに記述されたいずれかの実施形態に従う校正治具を用いる一般化された校正プロセス５００を説明した図５を参照する。ステップ５１０では、プローブは（ｘ−ｙ面内に）並進され、（ｚ軸に沿って）移動されて基準の中心でＴＶＳ表面に触れる。プローブ・基準アライメントプロセスの一部として、カメラはＶＰを通して校正治具内を覗いてプローブの焦点底面図を見る。次に、ステップ５２０で、カメラはＣＭＭモーションコントローラにフィードバックを提供してプローブを基準とのアライメントに案内する。

ステップ５３０では、基準がＴＶＳ上の基準十字線の中心とアライメントされると、ＣＭＭモーションコントローラは現在のステージ／ロボット位置を記録する。これはデータ値ＰｏｓｉｔｉｏｎＣａｍｅｒａＡｌｉｇｎｅｄとして定義される。随意に、カメラ／ビジョンシステムはアライメントポイントにおけるピクセルの座標を記録してもよい。

次に、ステップ５４０で、カメラはＣＭＭモーションコントローラによって並進されて、カメラをＴＶＳ上にもたらす。このときカメラは直接基準十字線を見て、（ステップ５５０で）フィードバックをモーションコントローラに提供して、前のステップ５３０で記録されたカメラピクセル座標を基準とのアライメントに案内する。次にＣＭＭモーションコントローラは現在のステージ／ロボット位置をＰｏｓｉｔｉｏｎＣａｍｅｒａＡｌｉｇｎｅｄとして定義されるデータ値に記録する。画像内の任意の所望の基準点（例えば画像中心）が、ＴＶＳ基準の中心にアライメントされ得ることに留意されたい。次にカメラ座標系におけるこの基準点は原点となり、これを基準としてワークピース上に見出された特徴のランタイム変位が後で報告される。

次にステップ５６０で、プロセス５００はカメラとプローブとの間の固定されたオフセット（間隔）をＯｆｆｓｅｔ＝ＰｏｓｉｔｉｏｎＣａｍｅｒａＡｌｉｇｎｅｄ−ＰｏｓｉｔｉｏｎＣａｍｅｒａＡｌｉｇｎｅｄとして計算する。この計算が校正プロセス５００を完了させる。校正中に推定された固定オフセットはプロセッサ１３０に保存され、続いてランタイムアライメントアプリケーションによって使用されることができ、カメラはプローブを案内して部品の表面にある特定の場所と接触させ、その場所がカメラによって記録される。

さて、図６〜図９を参照すると、これらは代替的な実施形態に従う、校正治具（破線の箱６１０）及び関連するＣＭＭタッチプローブアセンブリ６２０の配置構成６００を示している。この配置構成６００では、１個以上のタッチプローブの校正を行なわせるために１対のビジョンシステムカメラ６３０及び６４０が採用されて、ＣＭＭアームアセンブリ（以下に説明する）上に所定の間隔で不動に取り付けられている。この治具６１０はＴＶＳに対して相対的な別個のＶＰ、及びこの配置構成を成り立たせる関連の光学系を省略する。特に図６を参照すると、配置構成６００は上述したビームスプリッタ（図１〜図４参照）と同様の構造及び機能を有するビームスプリッタ６５０を含む。ビームスプリッタは鏡面６５２上に示されているように光軸／カメラ軸ＯＡ１を直角に曲げる。これにより第１のカメラ（プローブ位置特定カメラとも呼ぶ）６３０を、図示されているようにＴＶＳの下方にプローブ／ＣＭＭのｚ軸に対して直角に取り付けることができる。ビームスプリッタ６５０により照明源（例えばＬＥＤアセンブリ又は上述した他の光源）６６０が光軸ＯＡ２（ｚ軸とアライメントされている）に沿って基準６７０（ＴＶＳ面上に置かれている）を通り第２のカメラ（基準位置特定カメラとも呼ぶ）６４０まで通過することが可能となる。従来の設計及び機能の集光レンズ６６２は照明源６６０の前に配置されて光を拡散及び／又は集束することができ、その結果として光はテレセントリックレンズ配置構成の方式で基準をより均一にカバーする。第２のカメラ６４０は上述した単一のカメラ（図１〜図４参照）に同様に取り付けられている。その光軸ＯＡ２は図示されているように垂直に／ｚ軸に沿ってアライメントされている。治具６１０は光路（例えばビームスプリッタ６５０と基準６７０の間）に沿ってフィールドレンズ６８０を含むことができる。フィールドレンズ６８０は上で図１〜図４を参照して説明したのと同様に配置されて機能する。このレンズ６７０は、特にタッチプローブアセンブリ６２０のボール６８４からＴＶＳ面に対して相対的に見られる可視の「グリント」（突然の反射）におけるｚ軸オフセットを補償する。

図７を参照して、タッチプローブアセンブリ７２０及び２カメラ校正治具配置構成６１０を含むＣＭＭ７１０の全体的配置構成７００が示されている。ＣＭＭ７１０の相対的運動座標系１５０（ｘ、ｙ、ｚ及びＲ）が示されており、上述したものと同様である。この例では（随意の）多重プローブ配置構成は３個の個別タッチプローブアセンブリからなり、各々共通面（破線７２４）上にあるタッチプローブボール（又は他の先端部）７２２を付けている。プローブのｘ及びｙに対して相対的な具体的な向きは、プローブの総数（１〜Ｎ）と同様に極めて可変である。図示されているようにプローブはすべて動くＣＭＭアーム７３０上で互いに対して不動（ｘ、ｙ及びＲ方向）に装着されている。同様に、第２の基準位置特定カメラ６４０もアーム７３０上に不動に装着されている。従ってプローブとカメラは互いに対して固定した向きにあり、校正の目的は各プローブとカメラ軸ＯＡ２をＣＭＭ運動座標系に対して相対的に関連付けることである。これは恒久的に又は一時的にＣＭＭ７１０内に取り付けることができる治具６１０を用いて達成される。各カメラ６３０、６４０は画像データ７４０をプロセッサ７５０に送る。このプロセッサ、例えば上記のプロセッサ１３０は、全体又は一部をスタンドアロン型計算装置（例えばＰＣ、ラップトップ、タブレット、スマートフォンサーバ又は専用処理回路）を実装できる。代替として処理（例えば画像処理）の一部又は全部を１台又は２台のカメラのハウジング内で実行できる。例えば、コグネックス株式会社のＩｎ−Ｓｉｇｈｔ（登録商標）シリーズなどのいわゆる「スマート」カメラは、カメラアセンブリのハウジング内で画像処理及びビジョンシステムのタスクを実行でき、処理された画像データを遠隔デバイスに供給する。上述したように、プロセッサアセンブリ７５０は１台以上のビジョンプロセッサ７５２及び関連する校正プロセッサ７５４を含む。プロセッサアセンブリ７５０は上述したようにＣＭＭ制御プロセッサ／プロセス７５６と統合され、又は通信する。ＣＭＭアーム位置データ７６０とアーム制御データ７６２は、ＣＭＭ制御７５６を介してマニュピュレータＣＭＭのアーム７３０とプロセッサ７５０との間に送られる。各プローブアセンブリ７２０からのタッチデータ７６４もプロセッサアセンブリ７５０に送られて、プローブが（ｚ軸運動を介して）ＴＶＳ（又は実行時対象物）の表面に接触したことを指示する。この模範的な実施形態ではプローブ位置特定カメラ６３０とビームスプリッタ６５０との間に追加のレンズ７８０が設けられている。このレンズは焦点距離を補正して、カメラ６３０は治具６１０に対して適当な位置に配置され得る。

ＣＭＭ座標系に対するプローブの校正は、図１〜図４で採用されている校正と同様であるが、各カメラ６３０、６４０のデータがプロセスのそれぞれの段階−即ちプローブ位置特定及び基準位置特定に適したものとして使用される点を除く。従って、図８を参照して、プローブアセンブリ（この例では４プローブ配置構成の一部）８２０の１つは、タッチボール／チップ８２２が基準とアライメントされるように配置されている。基準位置特定カメラ６４０の光軸／カメラ軸ＯＡ２は基準から離れており、プローブ位置特定カメラ６３０は、反射されたグリント又は他の指示に基づいてプローブボール／チップ８２２と基準６７０との間のアライメントを見る。上記のいずれかの物理的効果（例えばエバネセント結合ＴＩＲなど）又は照明器とビームスプリッタの配置構成は、代替的な実施形態において想定された２カメラ校正装置に関して採用され得ることに留意されたい。各プローブアセンブリ８２０のチップ８２２は基準６７０とのアライメントに動かされると、ＣＭＭアームの相対的位置がプロセッサアセンブリ８５０で記録され、（例えばｘ、ｙ、Ｒ）運動座標系における及び基準位置特定カメラ軸（ＯＡ２）に対するプローブの全体的関係が決定される。

上の図６〜図８の２カメラ配置構成は、特に多数のプローブの相対的位置の校正に使用するために有利である。その理由は、プローブ位置特定カメラ６３０を用いて基準６７０アライメントされると、（多重配置構成の）各プローブの位置がオペレータ（又は自動化されたプロセス）によって順番に容易に視覚的に特定され得るからである。

図９を参照して、１個以上のプローブを基準位置特定カメラ軸及びＣＭＭ座標系に対して校正するための手順９００を示して説明する。ステップ９１０では、プローブをｘ軸とｙ軸（及び随意にＲ回転）方向で関連するｘ−ｙ面に沿って並進させ、該当する場合はｚ軸方向に延ばして基準の領域でＴＶＳと接触させる。この接触は、ｚ軸運動が（上述した）プローブアセンブリ内の適当なスイッチをトリガするとプロセッサによって検知される。ステップ９２０では、プローブ位置特定カメラによって提供される視覚的フィードバックを用いてプローブアセンブリのボール／チップを（ＴＶＳに触れるか接近すると）基準中心（例えば十字線又は他の標識）とのアライメントに案内する。ステップ９３０では、ＣＭＭモーションコントローラがアライメントポイントにおけるアーム（又はステージ／ロボット）の位置を可変ＰｏｓｉｔｉｏｎＣａｍｅｒａＡｌｉｇｎｅｄ_Ｐとして記録する。ここでＰは、プローブ１〜Ｎ個のアセンブリにおいてアライメントされた特定のプローブの数である。ステップ９４０では、上記のプローブアライメントステップ９１０、９２０及び９３０が各プローブ１〜Ｎについて繰り返される。ＰｏｓｉｔｉｏｎＣａｍｅｒａＡｌｉｇｎｅｄ_１からＰｏｓｉｔｉｏｎＣａｍｅｒａＡｌｉｇｎｅｄ_Nについて適当な値が決定されて記録される。

次に手順のステップ９５０では、アーム（ステージ／ロボット）が並進して、基準位置特定カメラ及び関連する軸をＴＶＳ上に動かして基準を見るようにする。ステップ９６０では、基準位置特定カメラからのフィードバックを用いてＣＭＭアーム（ステージ／ロボット）を案内するので、カメラのピクセルは適切に基準とアライメントされる。次にアーム（ステージ／ロボット）の現在の位置がプロセッサアセンブリ及びモーションコントローラによって可変ＰｏｓｉｔｉｏｎＣａｍｅｒａＡｌｉｇｎｅｄとして記録される。次に、ステップ９７０では、手順９００は（アームに装着されて動く）基準位置特定カメラと個々のプローブ１〜Ｎとの間の相対的オフセットを、（ｘ及びｙにおける）値Ｏｆｆｓｅｔ_P ＝ ＰｏｓｉｔｉｏｎＣａｍｅｒａＡｌｉｇｎｅｄ − ＰｏｓｉｔｉｏｎＣａｍｅｒａＡｌｉｇｎｅｄ_Pとして計算する。これらの計算されたオフセット値は（上述したように）後続の実行時動作において各プローブの運動を対象物表面に対して制御するために使用される。

図１０を参照すると、これは図１１〜図１４と併せて内蔵ビジョンシステムカメラを含む統合された（複数のコンポーネントを単一のユニットに組み入れて構成された）校正装置１０００を示す。この装置１０００はベース（マウントベース）１０１０上に取り付けられており、この実施形態ではベース１０１０はプレートをなしているが、ＣＭＭ（又は類似のデバイス）の作業エリアで一時的又は恒久的に取り付けるのに適して任意の形状を有してよい。マウントベース１０１０は、ここに記載されたいずれかの実施形態に従うビジョンシステムカメラアセンブリ１０２０を支持する。従ってカメラアセンブリ１０２０は内蔵プロセッサを含むことができ、又は上に図１と図７を参照して一般的に記述した遠隔処理装置に画像データを送ることができる。カメラアセンブリ１０２０のレンズ端部は取外し可能なハウジングカバー１０３０によって覆われており、ハウジングカバー１０３０は装置１０００の光学ブロック１０４０も包含して密封している。

マウントベース１０１０及びハウジングカバー１０３０は多様な構成技術を用いて多様な材料から構成できる。例えばこれらのコンポーネントはアルミニウム合金（又は別の金属）、ポリマ（例えばポリカーボネート、アクリル、ＡＢＳ、ＰＥＴなど）、複合材料（例えば炭素繊維、ガラス充填ナイロンなど）から構成できる。コンポーネントは、カメラアセンブリ１０２０と光学ブロック１０３０との間の不動のアライメントを維持するように適合されているので、校正は信頼性を保ち反復可能である。光学ブロックもアルミニウム合金や耐久性ポリマなどの硬く堅牢な材料から構成できる。

図１１に示されているように、ベース１０１０は光学ブロック１０４０、カバー１０３０及びカメラアセンブリ１０２０をベースに、例えばねじ付き固定具（図示しない）を用いて固定するための一連の貫通孔１１１０を含んでいる。代替的な配置構成において、コンポーネントの一部又は全部はベースと一体的に成形でき（例えば光学ブロック）及び／又は別の固定機構−例えば接着剤、クリップ、クランプ、スナップなどを用いて固定できる。非制限的な例により、近似の寸法／尺度の参考として、ベース１０１０の全幅ＷＢは約４５〜６５ミリメートル（及び例示的に５５．９ミリメートル）である。ベース１０１０の全長ＬＢは約１１０〜１５０ミリメートル（例示的に１２０．０ミリメートル）である。ベース１０１０（例えば６０６１−Ｔ６アルミニウム合金又は類似のもの）の厚さＴＢ（図１３）は約０．３〜１０．０ミリメートル（及び例示的に５．０ミリメートル）である。これらの寸法は、代替的な実施形態において及び／又は代替的な材料又は構成技術（例えば一体コンポーネントか統合コンポーネントか）を採用すると極めて可変である。

ベース１０１０は取付け孔及び／又は他の構造も含むことができ、これにより当該ベースを適当なベース、ブラケット及び／又はその他の取付け機構を用いてＣＭＭ（又は類似の測定デバイス）の作業エリアに取り付けることが可能になる。コンポーネントは成形、鋳造、機械加工、３Ｄプリント及び／又は所望の精度と装置１０００への構造的統合性を提供するその他の受入れ可能な技術によって構成されてよい。

装置１０００の光学系、機能及び使用は、上で図６〜図９の実施形態を参照して説明したものと同様である。要するに、照明源１２１０から出た光は非球面レンズアセンブリ１２２０を通過し、照明軸ＯＡＩに沿ってビームスプリッタアセンブリ１２３０内に入る。光はビームスプリッタから軸方向に−４５度傾斜した反射面（破線１２３２）を通って−合流した光軸ＯＡＭに進む。対象物（即ちタッチプローブのチップ）から出た光は光軸ＯＡＭに沿って装置１０００に戻されて反射面１２３２に進む。光は９０度方向を変えてカメラ光軸ＯＡＣに進みカメラアセンブリ１０２０のレンズアセンブリ１２５０に入る。レンズアセンブリは適当なレンズ度数及び焦点距離の設定を規定することができる。この例ではレンズアセンブリ１２５０は従来の配置構成に従うＭ１２マウントベースを含む。この実施形態におけるカメラアセンブリ１０２０は、センサ１２５２及びプロセッサ回路基板１２５４を有するビジョンシステムカメラである。しかしながら代替的な実施形態において何らかの受入れ可能なカメラ配置構成（内蔵画像処理及びビジョンシステム処理能力のある又はない（持たない））が採用されてよい。合流した光軸ＯＡＭは、上で機能を説明したフィールドレンズ１２６０と、特注の基準パターン又は（上述した）市販の基準パターンを含むことができる透明なレチクルプレート１２７０を通過する。

光学ブロック１０４０内の光学コンポーネント１２１０、１２２０、１２３０、１２６０及び１２７０の間隔、並びにセンサ１２５２のビームスプリッタからの距離は、レチクルの寸法及び他のシステムパラメータに基づいて変えることができる。この実施形態ではレチクル１２７０が図１５にさらに詳細に示されている。このレチクルは、約２１ミリメートルの外径ＲＤ及び約２．２〜２．５ミリメートルの厚さを規定する。１実施形態において非制限的な例としてレチクル１２７０はエドモンド・オプティクス社（ニュージャージー州バーリントン）から製品番号３９４５４で市販されている。レチクル基準パターンは、直角に交わる十字線１５１０と、交点１５３０から半径方向に１ミリメートルずつ離間した一連の同心円１５２０を画定する。各々の円は関連する標識番号１５４０で表示されている。ビジョンシステムは、円、十字線及び／又は標識をタッチプローブのアライメントを支援するために適しているものとして認識するように適合され得る。これらの特徴は、装置内のカメラアセンブリと相互接続された（及びタッチプローブアームに装着された）ディスプレイ（上述）を介して人間のユーザーにも明瞭に見ることができる。レチクル基準パターンはガラス基体（例えば低反射コーティングを施したソーダガラス）にエッチングされており、見えやすいように塗装などで強調されている。これは種々の実施形態に従うレチクルの多様な形状、寸法及びパターンの例である。

レチクル１２７０は光学ブロック１０４０の上端部に周囲表面と面一又は僅かに***して取り付けられている。レチクル１２７０を受容するために凹部１１２０（図１１）が設けられている。レチクルは他の光学コンポーネントと同様、光学ブロック１０４０内の所定の場所に適当な市販の接着剤（例えばシアノアクリレート、エポキシなど）により、又はねじ付きリング、クランプ、スペーサなど当業者にとって明らかなはずの別の機構によって固定できる。レチクルが装置のためのＴＶＳ及びＶＰ（上述）として働く。即ち、アーム装着カメラ（例えば上述したカメラ６４０）が、照明されたレチクル１２７０を見てアライメントし、タッチプローブの先端部（例えば上述したプローブチップ７２２）が装置のカメラ１０２０によって見られてアライメントされる。特にカメラ１０２０及び装置１０００の他の要素はレチクル１２７０の平面の下方に位置決めされて、タッチプローブ又はＣＭＭに取り付けたワークピースと干渉する関係に入らないようにしている。レチクル１２７０の平面はまた一般的にワークピースの主要な表面と同様のレベルに配置されている。

光学ブロック１０４０もフィールドレンズ１２６０の内側凹部１１３０を含む。この実施形態ではフィールドレンズは直径約１２ミリメートル及び凸面径約５１〜５２ミリメートルの平凸レンズである。有効焦点距離は約１００ミリメートルである。非制限的な例としてレンズはエドモンド・オプティクス社から製品番号４７−３４１で市販されている。広範な代替フィールドレンズが採用されてよく、及び／又は代替的な実施形態においてこのレンズは省略されてよい。同様に種々の実施形態においてフィールドレンズ光学系はレチクルと統合され得る。

この実施形態において光学ブロック１０４０はビームスプリッタ１２３０が入る挿通孔１２８０を含んでいる。１実施形態において、ビームスプリッタ１２３０は適切なアライメントを維持してより確実に固定するために正方形断面の取付け挿通孔１１４０が設けられている。この実施形態ではビームスプリッタ１２３０は１辺１０ミリメートルの立方体である。非制限的な例としてビームスプリッタ１２３０の１バージョンはエドモンド・オプティクス社から製品番号４７−１２１で市販されている。しかしながら、代替的な実施形態において多様な形状、寸法及び動作原理を採用した光線分割構造が使用されることが想定されている。挿通孔１２８０はそれぞれカメラ軸ＯＡＣ及び合流軸ＯＡＭに沿ってアライメントされた半円形通路１２８２及び１２８４を含むことに留意されたい。これらの通路は所望の視野がシステムを完全に通過可能にするのに十分である。代替的な実施形態において通路１２８２、１２８４は半円筒形として定義されるが、別の代替的な実施形態では半円錐台形であってもよい。

光学ブロック１０４０内の挿通孔１２８０の反対側は、照明ビームの光源１２１０からの所望の拡散を可能にする非球面レンズアセンブリを収容する。非制限的な例により、この実施形態では非球面レンズアセンブリは凹部１２９０に入っており、上述したように何らかの受入れ可能な方式で固定されている。この実施形態のレンズアセンブリは凸要素１２９２と凹要素１２９４からなり、凸要素１２９２は凹要素１２９４よりも照明源１２１０から離れて配置されている。この実施形態において例示的なレンズ対は直径約１２．５ミリメートルである。凸要素１２９２は前部半径約８．１５ミリメートル及び後部半径約１２．８０ミリメートルを画定する。凸要素１２９４の後部半径は約２４．９０ミリメートル。この例ではレンズアセンブリは無彩色で、動作波長範囲は約０．４２５〜０．６７５マイクロメートルである。有効焦点距離は１４ミリメートルである。非制限的な例により、このレンズアセンブリはエドモンド・オプティクス社から製品番号４９−６５８で市販されている。しかしながら、当業者にとって代替的な実施形態において照明源１２１０の光に所望の条件を与えるために代広範な可能なレンズ、プリズム及び他の光学構造が使用できることは明らかなはずである。

照明源１２１０は光学ブロック１０４０の底部に取り付けられており、基板に取り付けられてブロック１０４０に向いている高出力ＬＥＤ（又は同様の光源）１１５２を有する回路基板１１５０を規定する。この実施形態における光源１１５２は白色光を送るが、代替的な実施形態において赤色光など任意の波長／色が採用されてよい。回路基板１１５０は、固定具（例えば小ねじ）、クリップ、クランプ、スナップ、接着剤又は機構の組合せによってブロック１０４０に固定できる。照明源１２１０は選択的に別個の電源（例えば変圧器と壁電流）又はカメラアセンブリ１０２０からの電気接続、又は別の電源によって給電され得る。１実施形態において、光源１２１０は選択的にビジョンシステムプロセッサ／プロセスからの信号に基づいて校正デバイスが機能しているときに照明され得る。例えば、カメラの内蔵照明器をバイパスして、代わりに適当な接続ケーブル又は他の電力リード装置を用いて回路基板１１５０を介して光源１２１０に給電することができる。

光学ブロック１０４０はベース１０１０上の例示的な凹部１１７０に取外し可能に取り付けることができる。例示的に、凹部又は他の取付け配置構成は、特定のＣＭＭパラメータに調整された多様な光学系アセンブリ受容するために（又は他のビジョンシステムアプリケーションと使用するために）適合されてよい。

ビジョンシステムを用いてタッチプローブ校正するための上記のシステム及び方法が、比較的簡便な校正技術と正確な校正結果を提供することは明らかであろう。有利には、この技術はプローブの接触点を直接校正治具の共通表面上のターゲット／基準に対して相対的に見ることに依拠しており、タッチプローブの接触点とカメラ視野との間の座標のマッピングが可能な限り正確であるようにする。校正治具内部の多様な統合された照明アセンブリ／配置構成が、取得された画像内の基準に対して相対的にタッチプローブ接触点の位置を特定するために強調されたコントラストを提供する。さらに、上記のシステム及び方法は動くアーム、ステージ又はロボットアセンブリ上の多数のタッチプローブを効果的に校正する。システムは、不純物の侵入に対して密閉された自立型の統合されたモジュールパッケージに実装され得る。パッケージは、ミッションや状況の変化に対応するためにカメラや光学系などの主要なコンポーネントの交換に適合させることが可能である。

以上、本発明の例示的な実施形態を詳細に説明した。本発明の精神と範囲を逸脱することなく種々の改変及び追加を行うことができる。上述した種々の実施態様の各々の特徴は、関連する新しい実施形態において多数の特徴の組み合わせを提供するのに適する限り、別の記載された実施形態の特徴と組み合わされてよい。さらに、上に本発明の装置と方法の多数の別個の実施形態を記したが、ここに記載されたものは本発明の原理の応用を例示したものに過ぎない。例えば、本明細書で使用される様々な方向及び／又は向きを表わす用語、例えば「垂直」、「水平」、「上」、「下」、「底部」、「頂部」、「側部」、「前部」、「後部」、「左」、「右」およびこれに類するものは、相対的な表現法として用いられているに過ぎず、重力等の固定した座標系を基準とした絶対的な向きを表わすものではない。さらに、「プリズム」という言葉は広く解釈して、作業エリアの基礎をなすことができる他の構造も含めるべきである。例えば、図示した光路ＯＰを一般的に規定するミラー配置構成を採用できる。種々の実施形態においてプリズム構造と反射（鏡面）構造の組合せも採用できる。従ってこの説明は例示の方法によるものであり、本発明の範囲を別途制限することを意味するものではない。

Claims (23)

1. タッチプローブを案内するためのビジョンシステムであって、
   当該ビジョンシステムはカメラ軸を備えるビジョンシステムカメラアセンブリを有し、前記ビジョンシステムカメラアセンブリは縦軸を備えて動くタッチプローブアセンブリに対して取り付けられており、
   当該ビジョンシステムはオフセット間隔Ｓを隔てて配置された平行な軸の間で光路を１８０度曲げるプリズムアセンブリを規定する校正治具を有し、ここで間隔Ｓは縦軸とカメラ軸との間隔と概ね等しく、さらに
   当該ビジョンシステムは光路内にリレーレンズアセンブリを有する、
   前記ビジョンシステム。
2. さらに、タッチプローブからの反射光によって生み出される視差を減らし、カメラアセンブリの視野全体の照明を均等にするために、プリズムアセンブリ上の光路内に配置されたフィールドレンズアセンブリを含む、請求項１に記載のビジョンシステム。
3. プリズムアセンブリは、上面に基準を含むタッチビューサーフェス（ＴＶＳ）を持つ第１の直角プリズムと、ＴＶＳの画像を取得するためのビューイングポート（ＶＰ）を持つ第２の直角プリズムとを有する、請求項１に記載のビジョンシステム。
4. さらに、光をＴＶＳに隣接して第１の直角プリズムに送る照明アセンブリを含む、請求項３に記載のビジョンシステム。
5. 照明アセンブリは第２の直角プリズムの傾斜壁に隣接して配置されたビームスプリッタを有し、ビームスプリッタとリレーレンズアセンブリとを通して光を第１の直角プリズムに送る、請求項４に記載のビジョンシステム。
6. 照明アセンブリは第１の直角プリズムの傾斜壁に隣接して配置されたビームスプリッタを有し、ビームスプリッタを通して光を上方に送る、請求項４に記載のビジョンシステム。
7. 照明アセンブリは、第１の直角プリズムの傾斜壁を通して光を送って第１の直角プリズム内に全反射（ＴＩＲ）を生成するように配置されており、これにより照明光はタッチプローブが触れるＴＶＳ上の位置に対して相対的な位置でＶＰ内にグリントを投射する、請求項４に記載のビジョンシステム。
8. 動くタッチプローブアセンブリと併用してビジョンシステムを校正するための方法であって、
   当該方法はタッチプローブアセンブリに不動に装着されたカメラを提供するステップを有し、ここでカメラはカメラ軸を規定し、タッチプローブアセンブリは縦軸を規定し、
   当該方法はオフセット間隔Ｓを置いて配置された平行な軸の間で光路を１８０度曲げるプリズムアセンブリを提供するステップを有し、ここで間隔Ｓは縦軸とカメラ軸との間隔と概ね等しく、プリズムアセンブリは上面に基準を含むタッチビューサーフェス（ＴＶＳ）とＴＶＳの画像を取得するためのビューイングポート（ＶＰ）を含み、
   当該方法はプローブで基準に触れてアライメントポイントを確定し、タッチプローブモーションコントローラによってプローブのポジションをＰＯＳＩＴＩＯＮＰＲＯＢＥＡＬＩＧＮＥＤとして記録するステップを有し、
   当該方法はタッチプローブとカメラを並進させてカメラがＴＶＳ上の基準を見るようにアライメントし、タッチプローブの位置をＰＯＳＩＴＩＯＮＣＡＭＥＲＡＡＬＩＧＮＥＤとして記録するステップを有し、さらに、
   当該方法はオフセット間隔をＰＯＳＩＴＩＯＮＣＡＭＥＲＡＡＬＩＧＮＥＤとＰＯＳＩＴＩＯＮＰＲＯＢＥＡＬＩＧＮＥＤとの差として計算するステップを有する、
   前記方法。
9. さらに、実行時にカメラによってワークピース上で特定される特徴に基づき、オフセット間隔を用いてプローブをワークピースの位置に動かすことを含む、請求項８に記載の方法。
10. タッチプローブアセンブリを案内するためのビジョンシステムであって、
    当該ビジョンシステムはタッチプローブアセンブリと治具との間の運動に基づいて選択的にタッチプローブと接触するように配置された基準を有する校正治具を有し、ここで校正治具は照明光が光源から基準を通って進む経路及び基準を通して見るための角度に曲げられて上方の空間に進む第１の光路のいずれも可能にするものであってタッチプローブアセンブリを選択的に備えるビームスプリッタを有し、
    当該ビジョンシステムはビームスプリッタに対して配置された第１のビジョンシステムカメラアセンブリを有し、ここでビームスプリッタは第１の光路に沿って配置された第１のカメラ軸を有し、さらに
    当該ビジョンシステムはタッチプローブアセンブリに対して不動に組み付けられている第２のビジョンシステムカメラアセンブリを有し、ここで第２のビジョンシステムカメラアセンブリは光源によって照明された基準を選択的に見る第２のカメラ軸を有する、
    前記ビジョンシステム。
11. さらに、治具に対して各々選択的に可動な複数のタッチプローブアセンブリを含んでおり、各々のタッチプローブアセンブリが選択的にそれぞれ基準と接触し、各々のタッチプローブアセンブリは第２のカメラアセンブリに対して不動に装着されている、請求項１０に記載のビジョンシステム。
12. さらに、タッチプローブからの反射光によって生み出される視差を減らし、カメラアセンブリの視野全体の照明を均等にするために、第１の光路内に配置されたフィールドレンズアセンブリを含む、請求項１０に記載のビジョンシステム。
13. タッチプローブアセンブリは、座標測定機（ＣＭＭ）の動くアーム上に置かれている、請求項１０に記載のビジョンシステム。
14. ＣＭＭは、アームの運動を追跡するコントローラを含み、第１のビジョンシステムカメラと第２のビジョンシステムカメラの各々は、それぞれタッチプローブが基準に接触して第２のカメラ軸が基準とアライメントされるとコントローラに基づいてアームの位置を記録するためのフィードバックを提供する、請求項１１に記載のビジョンシステム。
15. 前記位置は第２のカメラ軸とタッチプローブとの間のオフセットを計算するために採用され、実行時にアームを実行時対象物に対して案内するのを支援するのに使用するために保存される、請求項１４に記載のビジョンシステム。
16. ビームスプリッタと照明光は、第２のビジョンシステムカメラを支持するマウントベースに対して光学ブロック内に取り付けられている、請求項１０に記載のビジョンシステム。
17. 光学ブロックは、基準パターンを備えタッチプローブと接触するように適合されているレチクルと、照明光とビームスプリッタとの間の光調整レンズを有する、請求項１６に記載のビジョンシステム。
18. 光調整レンズは、１対の凹レンズと凸レンズを備えた非球面レンズアセンブリを含む、請求項１７に記載のビジョンシステム。
19. さらに、レチクルとビームスプリッタとの間に配置されたフィールドレンズを含む、請求項１７に記載のビジョンシステム。
20. さらに、光学ブロックと第２のビジョンシステムカメラの少なくとも一部の上に取り付けられたハウジングカバーを含む、請求項１７に記載のビジョンシステム。
21. 。
    光源は、ＬＥＤアセンブリを実装した回路基板であり、前記回路基板はレチクルが取り付けられている光学ブロックの端部とは反対側の光学ブロックの端部に取り付けられている、請求項１７に記載のビジョンシステム。
22. ワークピースをタッチプローブに対して案内する第１のビジョンシステムカメラを校正するための統合された校正装置であって、
    当該校正装置はベースを有し、前記ベースは第２のビジョンシステムカメラと照明されたレチクル上の基準パターンを備える光学ブロックとが取り付けられ、ここでレチクルは選択的にタッチプローブと接触するように適合され、且つ選択的に第１のビジョンシステムカメラによって見られ、さらに
    当該校正装置は光学ブロック内にビームスプリッタを有し、前記ビームスプリッタはレチクルを照明する光源の光路を第２のビジョンシステムカメラの光路と合流させる、
    前記校正装置。
23. タッチプローブを案内するためのビジョンシステムであって、
    当該ビジョンシステムはカメラ軸を備えるビジョンシステムカメラアセンブリを有し、前記ビジョンシステムカメラアセンブリは縦軸を備えて動くタッチプローブアセンブリに対して取り付けられており、
    当該ビジョンシステムはオフセット間隔Ｓを隔てて配置された平行な軸の間で光路を約１８０度曲げるプリズムアセンブリを規定する校正治具を有し、ここで間隔Ｓは縦軸とカメラ軸との間隔と概ね等しく、さらに
    当該ビジョンシステムは第１の面を介して照明をプリズムアセンブリ内の第１のプリズムに向ける照明アセンブリを有し、ここで第１のプリズムはタッチプローブアセンブリの先端部と対面する頂面を有し、照明は全反射で２回反射されて第１の面を介して第１のプリズムから出て、先端部が頂面に接触するか又は頂面の上の少ない波長内にあるときには、全反射が漏れてエバネセント波が先端部と結合して、これにより光が頂面を通って漏れるように第１のプリズムが構成及び配置されており、そのようにして漏れた光は先端部から散乱して、正常に近い入射角で第１のプリズムに再入して先端部の接触点からビジョンシステムカメラアセンブリを通って進む、
    前記ビジョンシステム。

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