JP2007315865A - 三次元変位量測定器および測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単一機構で安価に高精度な全方向変位量を計測可能な測定器および測定方法を提供する。
【解決手段】本発明の三次元変位量測定器は、被測定体１の表面に付した所定のマトリックスパターン２０と、前記マトリックスパターン２０に主光軸を向けた一対の像側テレセントリック光学系とを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は三次元変位量測定器および測定方法に関する。

従来、構造物同士の相対的位置関係などを測定する場合、レーザなどを利用した非接触式の変位計が使用されている。例えば図８の被測定体１の横方向移動量（Ｘ）、縦方向移動量（Ｙ）および奥行き方向移動量（Ｚ）の３つの移動量を測定する場合、３方向それぞれの直線方向の変位量を測定するセンサを配設する。この場合、Ｘ、Ｙ、Ｚの３方向の移動量は測定されるが、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸回りの回転移動量は測定できない。Ｘ、Ｙ、Ｚ軸回りの回転移動量も計測しようとすると、３つの回転変位計をさらに配設する必要がある。このように合計６つの変位計を配設するとコストが嵩むことは勿論のこと、変位計相互の物理的干渉により測定不能な場合も起こり得る。

一方、従来の低倍率のステレオ計測においては、図９（Ａ）（Ｂ）のように、ステレオカメラ２、２にマイクロレンズ３、３と固定焦点（絞り孔４、４）を組み合わせた光学系が使用されている。しかし、この光学系ではミクロンオーダーの精度が要求される微小領域のステレオ計測では十分な精度が得られない。これは、一般的にマイクロレンズ３は被写界深度が浅く、被測定体１が焦点から外れるとイメージセンサに対する入射光重心の偏りにより結像重心位置のズレが発生し、このズレがステレオ視の計測精度に影響を及ぼすためである。なお、被測定体１が焦点から外れても計測精度に悪影響が及ばないものとしてテレセントリック光学系がある（特許文献１参照）。
特開２００４−３１７４９５号公報

前述したように、従来の三次元測定システムは多数の変位計を必要とするうえ、変位計相互の物理的干渉から測定対象に制約がある。また、マイクロレンズを使用した低倍率のステレオ計測では被測定体が焦点位置から外れた場合の測定精度が問題である。

本発明は、斯かる実情に鑑み、単一機構で安価に高精度な全方向変位量を計測可能な測定器および測定方法を提供しようとするものである。

本発明はかかる課題を解決するものであって、ステレオ計測に像側テレセントリック光学系を採用し、正反射光が得られる光学系を提供する。すなわち、請求項１の発明は、被測定体の表面に付した所定のマトリックスパターンと、前記マトリックスパターンに主光軸を向けた一対の像側テレセントリック光学系とを有することを特徴とする。

請求項２の発明は、前記像側テレセントリック光学系は、イメージセンサを内蔵したカメラ本体部と、イメージセンサの前方に配設されレンズを収納した筒部と、前記筒部の先端側であって前記レンズの焦点位置に形成された絞り孔とを有することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または２に記載の三次元変位量測定器を使用し、前記被測定体の三次元変位量と、前記三次元変位量測定器の一対のイメージセンサから得られる前記マトリックスパターンの変形量との相関関係をあらかじめ記憶しておき、前記被測定体の三次元任意方向への変位量を前記マトリックスパターンの変形量に基づき演算するようにしたことを特徴とする。

絞り孔がレンズの焦点位置にあるレンズをテレセントリック光学系という。絞り孔がレンズ焦点位置にあるので主光線をレンズ光軸に対して物体側、像側、もしくは両側で平行にすることができる。特に物体側がテレセントリックなレンズでは、この画角（テレセントリシティー）が限りなく０゜に近いため被測定体が上下しても寸法変動や位置変動がなく測定誤差が発生しない。たとえ被測定体が被写界深度から外れ、ピントがボケてもこの性能は維持される。従って、厚みの異なる立体形状物を同一視野、同一倍率にて測定する場合や、ピント方向の被測定体との位置がラフな場合などの悪条件下で高精度な画像処理計測が必要な時に威力を発揮する。

また、テレセントリックな照明系(同軸落射照明)との併用により結像と照明系の主光線が同一線上になるので、均一な安定した照明光が得られる。

本発明は、一対の像側テレセントリック光学系（ステレオ光学系）によって被測定体の表面のマトリックスパターンを撮像し、被測定体が三次元任意方向に変位したとき、当該変位量をマトリックスパターンの像の変形量に基づいて演算により求めることが可能である。あるいは、一対の像側テレセントリック光学系で撮像した一対のマトリックスパターンの画像に基づいてステレオグラム処理をすることにより、被測定体の三次元任意方向の変位量を測定することができる。このように、少ない光学系であるから低コストであり、しかも少ない光学系で三次元測定、すなわちＸ、Ｙ、Ｚ方向に加えてＸ、Ｙ、Ｚ軸回りの合計６つの自由度の測定が可能なため、光学系相互の物理的干渉のおそれがなく、したがって測定対象の制約もない。さらに、テレセントリック光学系の特長を生かして被測定体が被写界深度方向に変位して焦点外れが起きた場合でも高い測定精度を維持することができ、さらに被測定体が鏡面の場合でも計測可能である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図７に基づいて説明する。図１および図２は本発明に係る三次元変位量測定器を示す。同図において１は被測定体であって、この被測定体１は三次元方向に移動可能である。被測定体１に対向して左右一対のカメラ１０、１０が所定の角度（輻挟角）θを成して配設される。輻挟角θは最小の角度にし、左右のカメラ１０で見え方の違いを最小にする。各カメラ１０は、イメージセンサ１１を内蔵したカメラ本体部１０ａと、このカメラ本体部１０ａに連結された筒部１０ｂを有する。筒部１０ｂの内側に、筒部１０ｂの軸線と主光軸を一致させてレンズ１２が収納される。レンズ１２の主光軸の延長線上に被測定体１が位置する。つまり、被測定体１と、レンズ１２の中心と、イメージセンサ１１の中心が一直線に並ぶように構成される。これにより、左右のカメラ１０、１０の主光軸が一致する被測定体上の対応点（同一対象点）を高精度に検出することができる。

筒部１０ｂの先端側に端板１３が取り付けられ、この端板１３の中央に絞り孔１４が形成される。絞り孔１４の位置は、レンズ１２の焦点距離ｆの位置である。これにより、カメラは像側テレセントリック光学系を構成する。絞り孔のサイズないし口径は、被写界深度に影響するので、照明の光量が不足しない範囲で小さくする。なお、正反射光を受光するように被測定体１と照明を配置することで、被測定体１が鏡面の場合でもその測定を可能にすることができる。また、照明の工夫によって、左右それぞれのカメラ１０で同じ対象物（特徴点）を検出する際の精度を向上させることができる。

被測定体１の表面に、図３のようにマトリックスパターン２０が付される。このマトリックスパターン２０は縦横に規則正しく高精度に三列三段で配列した所定径の黒丸２１の集合である。マトリックスパターン２０は黒丸以外のパターンを用いてもよいし、三列三段に限定されるものでないことは勿論である。黒丸２１相互の間隔、すなわち縦方向の間隔と横方向の間隔は所定の寸法で高精度に統一されている。

本発明の三次元変位量測定器は以上のように構成され、図４のように被測定体１が被写界深度方向すなわちＺ方向に後退変位すると、イメージセンサ１１で撮像されるマトリックスパターン２０が図４（Ｂ）（Ｃ）のように収縮変形する。図５のように被測定体１がＺ軸を中心に回転すると、図５（Ｂ）のようにイメージセンサ１１で撮像されるマトリックスパターン２０も同様に回転する。図６のように被測定体１がＹ軸を中心に回転すると、図６（Ｂ）のようにイメージセンサ１１で撮像されるマトリックスパターン２０がパースペクティブに変形する。図７のように被測定体１がＸ軸回りに回転すると、図７（Ｂ）のようにイメージセンサ１１で撮像されるマトリックスパターン２０がパースペクティブに変形する。なお、図４〜図７は便宜上カメラ１０を一台で示すが、実際は二台のカメラ１０を左右並べて被測定体１を撮像する。

このように、被測定体１の三次元方向の変位量と、マトリックスパターン２０の変形量との間には相関関係があり、この相関関係は数学関数として記述可能である。この相関関係ないし数学関数をあらかじめコンピュータプログラムの一部に格納し、三次元変位量測定器のイメージセンサ１１から得られる画像情報に基づいて被測定体１の三次元変位量を演算により求める。例えば、一対の像側テレセントリック光学系で撮像した一対のマトリックスパターンの画像情報をステレオグラム処理することにより、被測定体の三次元任意方向の変位量を測定することができる。

本発明の三次元変位量測定器は像側テレセントリック光学系を採用したことにより、主光線が光軸と平行になるため、焦点外れが起きても投影中心とボケの中心とが一致する。これにより、焦点が外れても高い測定精度が維持される。なお、三次元変位量測定器により測定する際には、初回のみ、カメラ１０の校正作業（キャリブレーション）を行う。この校正作業は、イメージセンサ１１上のマトリックスパターン２０の画像歪みを補正をするものである。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の三次元変位量測定器と測定方法は、あらゆる被測定体１の三次元変位量の測定ならびに高精度な画像処理計測やアライメントに応用することができる。

本発明に係る三次元変位量測定器の平面図。 本発明に係る三次元変位量測定器の側面図。 マトリックスパターンを付した被測定体の斜視図。 （Ａ）〜（Ｃ）は被測定体の変位とマトリックスパターンの変形関係を示す図。 （Ａ）（Ｂ）は被測定体の変位とマトリックスパターンの変形関係を示す図。 （Ａ）（Ｂ）は被測定体の変位とマトリックスパターンの変形関係を示す図。 （Ａ）（Ｂ）は被測定体の変位とマトリックスパターンの変形関係を示す図。 従来の被測定体の測定方法を示す図。 （Ａ）（Ｂ）は従来のマイクロレンズを使用したステレオ計測器を示す平面図および側面図。

符号の説明

１ 被測定体
２ ステレオカメラ
３ マイクロレンズ
４ 絞り孔
１０ カメラ
１０ａ カメラ本体部
１０ｂ 筒部
１１ イメージセンサ
１２ レンズ
１３ 端板
１４ 絞り孔
２０ マトリックスパターン
２１ 黒丸
ｆ 焦点距離
θ 輻挟角

Claims (3)

1. 被測定体の表面に付した所定のマトリックスパターンと、前記マトリックスパターンに主光軸を向けた一対の像側テレセントリック光学系とを有することを特徴とする三次元変位量測定器。
2. 前記像側テレセントリック光学系は、イメージセンサを内蔵したカメラ本体部と、イメージセンサの前方に配設されレンズを収納した筒部と、前記筒部の先端側であって前記レンズの焦点位置に形成された絞り孔とを有することを特徴とする請求項１に記載の三次元変位量測定器。
3. 請求項１または２に記載の三次元変位量測定器を使用し、前記被測定体の三次元変位量と、前記三次元変位量測定器の一対のイメージセンサから得られる前記マトリックスパターンの変形量との相関関係をあらかじめ記憶しておき、前記被測定体の三次元任意方向への変位量を前記マトリックスパターンの変形量に基づき演算するようにしたことを特徴とする三次元変位量測定方法。

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