| 【発明の名称】 |
非接触３次元変位測定装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】有田 信一
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| 【要約】 |
【課題】従来の非接触３次元変位測定装置は、エリアセンサーの大きさの制約上、微少な変位量しか測定できないという課題があった。
【解決手段】物体側テレセントリック光学系とエリアセンサーの間に画像シフト手段を設け、物体変位後の画像をエリアセンサー面上へ導くものである。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】エリアセンサー面上に物体像を結像させる物体側テレセントリック光学系から構成された測定系を２つ備え、この２つの測定系の光軸を変位測定対象の物体面上の１点で交わるように配置したことを特徴とする非接触３次元変位測定装置において、該物体側テレセントリック光学系と該エリアセンサーとの間に画像シフト手段を設けたことを特徴とする非接触３次元変位測定装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は物体の３次元変位を非接触で測定する、特に安価で小型な非接触３次元変位測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、物体の変位を非接触で測定する装置として、物体表面につけられた格子か物体表面へのレーザー照射によるスペックル像などにおける物体の変位前後の像を、エリアセンサーを有する結像系を介してコンピュータ上に取り込み、２つの像の自己相関を計算し、変位量を算出する装置が従来から公知である。しかしながら、従来装置では、物体の変位の大体が３次元的なものであるにもかかわらず、撮像系がエリアセンサーなどの２次元測定系であるために、全て、エリアセンサーと平行を示す２次元的な変位を算出することになってしまい、エリアセンサーと垂直をなす方向の変位が測定できない。その結果として、エリアセンサー面と平行をなす平面内での移動が既知である物体にかぎられてしまうという重大な課題があった。その欠陥を解消するために更なる改良を加えられた従来例が既に知られている。その従来例は以下の構成を有する。
【０００３】（１）エリアセンサー面上に物体像を結像させる物体側テレセントリック光学系から構成された測定系を２つ備え、この２つの測定系の光軸を変異測定対象の物体面上の１点で交わるように配置。
【０００４】（２）変位測定対象の物体面上に２値階調による画像データを取り出すための模様を設定。
【０００５】（３）テレセントリック結像を行う結像光学系が結像倍率可変機能を有する。
【０００６】（４）物体面の移動前の像を、２つの測定系のエリアセンサー面上を介して画像情報としてコンピュータに記憶させ、しかる後、物体が任意の方向に移動した後、再度画像情報を取得し、この移動前後の画像情報に基づいて、２つのエリアセンサー面上での変位量をそれぞれ自己相関により解析する。
【０００７】図３はその改良された従来例を示す図であり、１は測定する物体面、２、３、はエリアセンサー面、４、５はエリアセンサー面上に物体像を結像させる少なくとも物体側テレセントリック結像を行う物体側テレセントリック光学系である。まず、物体面の変位を表すため、便宜上、測定中心から物体面１に沿ってＸ軸、直行する方向にＹ軸、紙面に垂直にＺ軸をとる。次に物体側テレセントリック光学系４とエリアセンサー面２により構成される測定系ｂの光軸が測定中心においてＸ軸と角度θ’をなすものとする。
【０００８】また物体面１の変位ベクトルをＡ、そのｘ、ｚ成分をＡｘ、Ａｚ、測定系ｂに於いてエリアセンサー面上での物体面移動の変位ベクトルをＢ、そのｘ、ｚ成分をＢｘ、Ｂｚとする。またさらに物体側テレセントリック光学系４、５の結像倍率をＭａ、Ｍｂとすると、以下の関係式が成立する。
【０００９】
【数１】
【００１０】式■は結像倍率のわかっている物体側テレセントリック光学系とエリアセンサーを有する２台の測定系に於いて、そのおのおのの光軸を測定する物体面上の１点で交わらせる構成で、物体の変位前後の画像データの自己相関による算出変位成分により、物体の３次元変位成分を算出できることを表している。よって、物体の３次元変位を上記構成で、非接触測定することが可能になり、さらに変位前後の画像データ取り込みの時間を記録しておけば、物体の速度、加速度も測定可能となる。
【００１１】図４は図３に示した概念を適用した装置の概要図であり、１は物体面、２、３はエリアセンサー面、４、５はそれぞれ倍率Ｍａ、Ｍｂの物体側テレセントリック光学系、６は２値階調による画像データを取り出すために物体面上にはりつけられた模様としての白黒格子である。
【００１２】図において、エリアセンサー面２、及び物体側テレセントリック光学系４の光軸は物体面１上のＸ軸と角度θ、エリアセンサー面３及び物体側テレセントリック光学系５の光軸は物体面上のＸ軸と角度θ’をなす。まず、物体の変位前の画像をエリアセンサー２及び３からコンピュータのメモリー上に２値階調による画像データとしておのおの取り込む。次に物体の変位後の画像データをエリアセンサー２及び３により同じく取り込む。この際、結像系に物体側テレセントリック光学系４、５を用いることで、変位前後の画像の大きさは変化せず、像のエリアセンサー面上への結像アドレスのみが変化することになる。
【００１３】次に２値階調による変位前後の画像データに関して自己相関関数を計算して、エリアセンサー面２及び３のアドレス上での像の移動ベクトルＡ及びＢを算出する。ここでエリアセンサー面２及び３はそれぞれ個別のｘ−ｚ平面を有し、エリアセンサー面２及び３上での像の移動ベクトルの成分を、それぞれ、Ａｘ、Ａｚ、Ｂｘ、Ｂｚとし、また物体の実移動ベクトルをＬと定義し、そのＸＹＺ座標系における成分を１ｘ、１ｙ、１ｚとすると、前記式■が成立する。
【００１４】よって、式■により、図の様に物体面上に定義した座標系に於ける物体の変位ベクトル成分が算出され、物体の変動量が非接触で測定可能となる。たとえば物体の変位前後の２値画像情報の自己相関の結果、エリアセンサー面２及び３上での像の移動成分が（Ａｘ、Ａｚ）＝（１０μｍ、−２０μｍ）、（Ｂｘ、Ｂｚ）＝（３０μｍ、−２０μｍ）、またそれぞれの物体側テレセントリック光学系の倍率が１でしかも、それぞれの光軸が物体面に対して４５°であれば、（１ｘ、１ｙ、１ｚ）＝（１４．１μｍ、５６．６μｍ、−２０μｍ）物体が移動したことになる。またさらに物体の変位前後の画像取り込みの時間を確認していれば、物体変位の速度ベクトル成分また、加速度ベクトル成分も測定可能である。
【００１５】この従来例によれば、まず物体面の移動前の像を、２台の測定系のエリアセンサーを介して画像情報としてコンピュータ上に記憶させ、次に物体が任意の方向に移動した後の像を再び２台の測定系よりコンピュータ上に取り込む。この際、物体の変位方向が１台、もしくは、２台の測定系から距離が遠ざかる方向であっても、物体側テレセントリック系によるエリアセンサー面上への結像の為、エリアセンサー面上への結像倍率は一定であり、エリアセンサー面上に結線する移動前と移動後の物体像の大きさは一定で、結像位置のみが変化することとなる。
【００１６】次に双方の測定系からの移動前後の画像情報から、２つの測定系のエリアセンサー上での変位量をそれぞれ自己相関により解析する。この変位量は３次元的な任意の物体面の変位を、別々な位置から、それぞれの測定系の光軸と垂直な平面上に射影した変位にそれぞれの測定系の結像倍率を乗じた量であり、この変位計算が非常に簡単である。
【００１７】また、図５は他の従来例を示す図であり、１は物体面、２、３はエリアセンサー面、４、５はそれぞれ結像倍率Ｍａ、Ｍｂの物体側テレセントリック光学系、７はビームエキスパンダー、８はレーザー、９はレーザー光照射範囲である。図において、レーザー８のレーザー光はビームエキスパンダー７により広げられ、レーザー光照射範囲９に於いてレーザースペックル像を形成し、そのスペックル像を取り込むことで、前述の従来例と同様に測定を行うことができる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の従来例においては、物体の移動量が大きい場合には、エリアセンサーの大型化が必要となり、これは多大な装置のコストアップを招いてしまうという課題があった。本発明は上記のような課題を解消するためになされたもので、安価で小型な非接触３次元測定装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明に係る非接触３次元測定装置は以下の構成を有することを特徴とする。
【００２０】エリアセンサー面上に物体像を結像させる物体側テレセントリック光学系から構成された測定系を２つ備え、この２つの測定系の光軸を変位測定対象の物体面上の１点で交わるように配置したことを特徴とする非接触３次元変位測定装置において、該光学系と該エリアセンサーとの間に画像シフト手段を設けたことを特徴とする非接触３次元変位測定装置。
【００２１】この実施の形態１によれば、エリアセンサー面上に物体像を結像させる物体側テレセントリック光学系から構成された測定系を２つ備え、この２つの測定系の光軸を変位測定対象の物体面上の１点で交わるように配置したことを特徴とする非接触３次元変位測定装置において、物体の移動量が非常に大きい場合、つまりテレセントリック光学系によってエリアセンサー面上に結像された移動前後の像の変位がエリアセンサーの範囲を超えてしまう場合、透明平板等の光学部材を双方のテレセントリック光学系とエリアセンサーの間に挿入し、物体の移動後に所定の角度、前記光学部材を傾けることにより、移動前の像と自己相関を取るべき、エリアセンサーの範囲外に在る移動後の像の範囲をエリアセンサー内に移動させる。この時エリアセンサー内に移動させる量は既知であるから、従来例にある式■にこの量を加味すれば、物体の移動量が大きい瘍合でも、非接触３次元変位測定が可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の一形態を図面について説明する。
【００２３】実施の形態．１図１は実施の形態１を最も良く表す図であり、１は物体面、２、３はエリアセンサー面、１２、１３はそれぞれ結像倍率がＭａ、Ｍｂの物体側、像側の双方がテレセントリックな両側テレセントリック光学系、６は２値階調による画像データを取り出す為に物体面上にはりつけられた白黒の格子、１０、１１は画像シフト手段である平行平板である。また、図２は画像シフト手段の概念を表す図であり、２、３はエリアセンサー面、１２、１３はそれぞれ結像倍率がＭａ、Ｍｂの物体側、像側の双方がテレセントリックな両側テレセントリック光学系、１０、１１は画像シフト手段である平行平板である。図ではＺ方向のみの概念図となっているが、Ｘ方向にも同様である。
【００２４】図において、エリアセンサー面２及び両側テレセントリック光学系１２の光軸は物体面１上のＸ軸と角度θ、エリアセンサー面３及び両側テレセントリック光学系１３の光軸は物体面上のＸ軸と角度θ’をなす。まず、物体の変位前の画像をエリアセンサー２及び３からコンピュータのメモリー上に２値階調による画像データとしておのおの取り込む。次に物体の変位後の画像データをエリアセンサー２及び３により同じく取り込む。この際、結像系に両側テレセントリック光学系１２、１３を用いることで、変位前後の画像の大きさは変化せず、像のエリアセンサー面上への結像アドレスのみが変化することになる。
【００２５】次に２値階調による変位前後の画像データに関して自己相関関数を計算して、エリアセンサー面２、及び３のアドレス上での像の移動ベクトルＣ及びＤを算出する。ここでエリアセンサー面２及び３はそれぞれ個別のｘ−ｚ平面を有し、エリアセンサー面２及び３上での像の移動ベクトルの成分を、それぞれ、Ｃｘ、Ｃｚ、Ｄｘ、Ｄｚとし、また物体の実移動ベクトルをＬと定義し、そのＸＹＺ座標系における成分を１ｘ、１ｙ、１ｚとすると、前記式■に従い以下の式■が成立する。
【００２６】
【数２】
【００２７】ところがここで仮に、エリアセンサー面２、３のエリアサイズが、Ｘ２×Ｚ２、Ｘ３×Ｚ３として、Ｃｘ＞Ｘ２／２、Ｃｚ＞Ｚ２／２、Ｄｘ＞Ｘ３／２、Ｄｚ＞Ｚ３／２だった場合、つまり物体面の変動量がエリアセンサーで検知できる範囲より大きいばあいは、図２に見られるように、画像シフト手段１０、１１を所定の角度変動させ、変動後の画像をエリアセンサー内に戻す。ここで画像シフト手段１０、１１だけによるエリアセンサー面２、３上の変位ベクトルＰ（Ｐｘ、Ｐｚ）、Ｑ（Ｑｘ、Ｑｚ）については、所定の厚さの平行平板で、変動角をあらかじめメモリーしておけば其の成分は定数である。さらに、画像シフト手段使用後のエリアセンサー面２、３上での見かけの像の移動ベクトル成分Ｅ（Ｅｘ、Ｅｚ）、Ｆ（Ｆｘ、Ｆｚ）を検知すれば、実際の像の移動ベクトルＣ（Ｃｘ、Ｃｚ）、Ｄ（Ｄｘ、Ｄｚ）は、【００２８】
【数３】
【００２９】から計算することができる。
【００３０】よって、式■と上記式■により、図の様に物体面上に定義した座標系に於ける物体の変位ベクトル成分が算出され、物体の変動量が非接触で測定可能となる。またここで、本実施例では、画像シフト手段による、光軸から離れた個所でのディストーションを押さえるため、像側においてもテレセントリックな、両側テレセントリック光学系を採用している。
【００３１】この実施の形態１によれば、エリアセンサー面上に物体像を結像させる物体側テレセントリック光学系から構成された測定系を２つ備え、この２つの測定系の光軸を変位測定対象の物体面上の１点で交わるように配置したことを特徴とする非接触３次元変位測定装置において、物体の移動量が非常に大きい場合、つまりテレセントリック光学系によってエリアセンサー面上に結像された移動前後の像の変位がエリアセンサーの範囲を超えてしまう場合、透明平板等の光学部材を双方のテレセントリック光学系とエリアセンサーの間に挿入し、物体の移動後に所定の角度、前記光学部材を傾けることにより、移動前の像と自己相関を取るべき、エリアセンサーの範囲外に在る移動後の像の範囲をエリアセンサー内に移動させる。この時エリアセンサー内に移動させる量は既知であるから、従来例にある式■にこの量を加味すれば、物体の移動量が大きい瘍合でも、非接触３次元変位測定が可能となる。
【００３２】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、物体側テレセントリック光学系とエリアセンサーとの間に画像シフト手段を設けて構成したので、今まで測定できなかった大きな変動量を、装置を大型化することなく、また安価に構成できる。また、本発明を逆に応用すれば、微少な変動量さえ測定すればよい場合、装置自体のコンパクト化が容易に行え、また安価に構成できるので経済的である。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００１００７
【氏名又は名称】キヤノン株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年１月２５日（１９９９．１．２５） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８６８１８
【弁理士】
【氏名又は名称】高梨 幸雄
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２１３９１３（Ｐ２０００−２１３９１３Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年８月４日（２０００．８．４） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１５２１５ |
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