JP2006029983A - Displacement measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、画像センサを用いて対象物を撮影し、画像処理を行うことによって機械部品等の寸法や機械装置等の変位／速度を測定する装置に関し、温度に起因する測定誤差の補正をはかった変位測定装置に関するものである。 The present invention relates to an apparatus that measures an image of an object using an image sensor and performs image processing to measure the size of a machine part or the like and the displacement / speed of a machine apparatus or the like, and corrects a measurement error caused by temperature. The present invention relates to a displacement measuring apparatus.
各種機器の微少な動きや振動などを光学的に高精度で測定することができる変位測定装置の先行文献として下記のものが知られている。
上記特許文献１に記載された技術は、回転体の微小部分の変位測定をすることで、回転体の回転数や回転角も測定できるようにしたもので、回転体にターゲットシートやエンコード板などの付加質量を取りつけることなく回転体自体の画像データに基づいて回転体の回転数や回転角度を非接触で測定できるようにし、微小な回転体であっても付加質量によ
る損失を伴うことなく高精度に測定できるようにしたものである。
The technique described in Patent Document 1 is designed to measure the rotational speed and rotation angle of a rotating body by measuring the displacement of a minute part of the rotating body. The rotational speed and rotational angle of the rotating body can be measured in a non-contact manner based on the image data of the rotating body itself without attaching additional mass of the rotating body, and even with a small rotating body, there is no loss due to the added mass. It can be measured with high accuracy.
また、特許文献２に記載された技術は、光学系の収差などによってずれ量と変位量との
間に非直線性が発生して誤差が生じ、また基準画像を変更するときに誤差が累積してしまうという課題を解決したもので、ずれ量から変位量を求める光学倍率をずれ量を変数とする関数とし、また基準画像切り替え準備条件が成立すると基準画像候補を設定して複数回基準画像と基準画像候補との距離に相当する量を測定して、この距離に相当する量の平均的な値を基準画像の位置に加算した後に基準画像候補を新たな基準画像とするようにし、収差などに起因する非直線性を補正して誤差が累積しないようにしたものである。
In the technique described in Patent Document 2, an error occurs due to non-linearity between the shift amount and the displacement amount due to aberration of the optical system, and the error accumulates when the reference image is changed. The optical magnification for obtaining the displacement amount from the displacement amount is a function with the displacement amount as a variable, and when the reference image switching preparation condition is satisfied, a reference image candidate is set and the reference image is An amount corresponding to the distance from the reference image candidate is measured, and an average value of the amount corresponding to this distance is added to the position of the reference image, so that the reference image candidate becomes a new reference image, aberrations, etc. The non-linearity caused by the error is corrected so that the error does not accumulate.
また、特許文献３に記載された技術は、測定分解能を１画素以下にすることができない
ので、最低でも±０．５画素の誤差が発生してしまうという課題を解決したもので、基準画像の誤差関数を求めてこの誤差関数を補間演算によって高分解能化し、また、基準画像と測定画像の誤差関数を求め、この誤差関数と高分解能化した基準画像の誤差関数との誤差関数を演算し、この誤差関数から基準画像と測定画像のずれ量を求めて、このずれ量から変位を算出することにより高分解能化、高精度化を実現したものである。
In addition, the technique described in Patent Document 3 solves the problem that an error of ± 0.5 pixels occurs at least because the measurement resolution cannot be reduced to 1 pixel or less. Obtain an error function to increase the resolution of this error function by interpolation. Also, obtain the error function of the reference image and the measurement image, calculate the error function of this error function and the error function of the reference image that has been increased in resolution, The amount of deviation between the reference image and the measurement image is obtained from the error function, and the displacement is calculated from the amount of deviation, thereby realizing high resolution and high accuracy.
図３は上記特許文献１〜３に共通して開示された変位測定装置の構成図である。図３において、測定対象物１４には照明系１５から可視光などの照明が照射される。測定対象物１４からの反射光は結像光学系１６によって集められ、画像センサ部１７に結像する。 FIG. 3 is a configuration diagram of a displacement measuring device disclosed in common in the above-mentioned Patent Documents 1 to 3. In FIG. 3, the measurement object 14 is irradiated with illumination such as visible light from the illumination system 15. Reflected light from the measurement object 14 is collected by the imaging optical system 16 and forms an image on the image sensor unit 17.
画像センサ部１７には多数の画素（画像素子）を１次元状に並べたＣＣＤ（又はＣＭＯＳ）リニアイメージセンサを用いる。この画像センサ部１７にはクロック発生部１８からクロック信号が入力され、各画素の出力信号が順番に読み出される。この出力信号はＡ／Ｄ変換器１９でデジタル信号に変換され、信号処理部２０に出力される。
The image sensor unit 17 uses a CCD (or CMOS) linear image sensor in which a large number of pixels (image elements) are arranged one-dimensionally. A clock signal is input to the image sensor unit 17 from the clock generation unit 18, and output signals of the respective pixels are sequentially read out. This output signal is converted into a digital signal by the A / D converter 19 and output to the
基準画像記憶部２３には基準状態における画像センサ部１７の出力信号、すなわち画像データが格納される。同様にして、測定画像記憶部２４には測定状態の画像データが格納される。
The reference image storage unit 23 stores an output signal of the image sensor unit 17 in the reference state, that is, image data. Similarly, the measurement
信号処理部２０は基準画像記憶部２３と測定画像記憶部２４に格納された画像データを比較して変位を演算し、表示器２２に表示する。また、この変位データをＤ／Ａ変換器２１でアナログ信号に変換し、外部に出力する。
The
しかしながら、このような変位測定装置には次のような課題があった。
画像センサ部の温度が変化すると、測定結果（寸法、変位量、速度など）に測定ゲイン誤差が生じる。すなわち、校正時の温度環境と全く同一の環境下で測定を行えば、測定結果は正しいものとなるが、温度が異なると測定結果が大きくなったり小さくなったりして誤差となってしまう。
However, such a displacement measuring apparatus has the following problems.
When the temperature of the image sensor unit changes, a measurement gain error occurs in the measurement result (size, displacement, speed, etc.). In other words, if the measurement is performed under exactly the same temperature environment as that at the time of calibration, the measurement result is correct. However, if the temperature is different, the measurement result becomes larger or smaller, resulting in an error.
上記の測定ゲイン誤差が生じる原因としては、画像センサ受光部分の温度伸縮による画素ピッチの変化、画像センサ筐体部や結像レンズ鏡筒部分の温度伸縮による結像倍率の変化などが考えられる。 Possible causes of the measurement gain error include a change in pixel pitch due to temperature expansion and contraction in the image sensor light receiving portion, and a change in imaging magnification due to temperature expansion and contraction in the image sensor casing and the imaging lens barrel portion.
高精度測定のためには、恒温室などの温度制御された環境下で測定が行われることが望ましいことは言うまでもないが、必ずしも実使用環境が所定の温度となっていない。
また、画像センサ自体が発熱源であり、画像センサの設置の仕方により放熱状態が異なってしまい、周囲温度は同一であっても画像センサ部の温度は異なるという場合もある。
Needless to say, for high-accuracy measurement, it is desirable that the measurement be performed in a temperature-controlled environment such as a temperature-controlled room, but the actual use environment is not necessarily at a predetermined temperature.
Further, the image sensor itself is a heat generation source, and the heat radiation state varies depending on the installation method of the image sensor, and the temperature of the image sensor unit may be different even if the ambient temperature is the same.
従って本発明が解決しようとする課題は、分解能および測定精度を向上することができる変位測定方法およびそれを用いた変位測定装置を提供することにある。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a displacement measuring method and a displacement measuring apparatus using the same that can improve the resolution and measurement accuracy.
このような課題を解決するために、本発明のうち請求項１記載の発明は
画像センサと結像光学系を用いた変位測定装置において、前記画像センサのセンサ部の温度及び／又は前記結合光学系のレンズを支持する部分の温度をもとに画像処理演算結果を補正するように構成したことを特徴とする。
In order to solve such a problem, the invention according to claim 1 of the present invention is a displacement measuring apparatus using an image sensor and an imaging optical system, wherein the temperature of the sensor part of the image sensor and / or the coupling optics is used. The image processing calculation result is corrected based on the temperature of the portion supporting the lens of the system.
請求項２記載の発明は請求項１記載の変位測定装置において、
前記変位測定装置は、測定対象物の測定画像から基準画像に類似する部分を検索して、前記測定画像と前記基準画像とのずれ量を求め、このずれ量から画像処理演算を行って前記測定対象物の変位量を測定する変位測定装置であって、この変位測定装置のセンサ部の温度を測定する温度センサ及び／又は前記結合光学系のレンズを支持する部分の温度を測定する温度センサと、温度に起因する誤差をキャンセルするための温度補正係数を演算する補正データ演算手段と、この補正データ演算手段で演算した温度補正係数に基づいて前記画像処理演算結果を補正する補正手段を具備したことを特徴とする。
The invention according to claim 2 is the displacement measuring apparatus according to claim 1,
The displacement measuring device searches for a portion similar to a reference image from a measurement image of a measurement object, obtains a deviation amount between the measurement image and the reference image, performs image processing calculation from the deviation amount, and performs the measurement. A displacement measuring device for measuring a displacement amount of an object, a temperature sensor for measuring a temperature of a sensor unit of the displacement measuring device and / or a temperature sensor for measuring a temperature of a portion supporting the lens of the coupling optical system; Correction data calculation means for calculating a temperature correction coefficient for canceling an error caused by temperature, and correction means for correcting the image processing calculation result based on the temperature correction coefficient calculated by the correction data calculation means It is characterized by that.
請求項３記載の発明は請求項１記載の変位測定装置において、
予め温度変化に対する温度補正係数を求め、その係数を参照テーブル若しくは関数の形で格納する補正データ演算部を設けたことを特徴とする。
The invention according to claim 3 is the displacement measuring apparatus according to claim 1,
The present invention is characterized in that a correction data calculation unit is provided in which a temperature correction coefficient for a temperature change is obtained in advance and the coefficient is stored in the form of a reference table or function.
請求項４記載の発明は請求項１記載の変位測定装置において、
温度センサとして、測温抵抗体、サーミスタ、熱電対を含み変位測定装置本体若しくは近傍に配置したことを特徴とする。
The invention according to claim 4 is the displacement measuring apparatus according to claim 1, wherein
The temperature sensor includes a resistance temperature detector, a thermistor, and a thermocouple, and is arranged in the displacement measuring device main body or in the vicinity thereof.
本発明によれば次のような効果がある。請求項１〜４に記載の変位測定装置によれば、
変位測定装置において、温度センサを使用し、温度に起因する誤差をキャンセルするための温度補正係数を求め、この温度補正係数に基づいて画像処理演算結果を補正したので、
１)周囲温度が測定器の基準温度と異なるような環境下においても、温度に起因する測定（ゲイン）誤差が低減する。
The present invention has the following effects. According to the displacement measuring apparatus of Claims 1-4,
In the displacement measuring device, a temperature sensor is used to obtain a temperature correction coefficient for canceling an error caused by temperature, and the image processing calculation result is corrected based on this temperature correction coefficient.
1) Measurement (gain) error due to temperature is reduced even in an environment where the ambient temperature is different from the reference temperature of the measuring instrument.
２）画像センサの設置の仕方により放熱状態が異なってしまい、周囲温度は同一であっても画像センサ部の温度は異なるような場合においても、画像センサ部等の温度を基に適切に補正をかけることで、測定誤差が低減する。
この結果、温度に起因する測定誤差を低減し、測定精度を向上させる効果がある。
2) Even if the heat dissipation state varies depending on the installation method of the image sensor, and the ambient temperature is the same, the temperature of the image sensor unit is different. By applying, the measurement error is reduced.
As a result, there is an effect of reducing measurement error due to temperature and improving measurement accuracy.
３）従来、温度によって測定（ゲイン）誤差が生じてしまうため、高精度な測定のためには十分な時間（例えば１時間以上）のウォームアップを行う必要があった。本発明の温度補正を行うことで、ウォームアップ時間を短縮できる。また、温度の時間変化をモニタすることにより、ウォームアップが完了しているか（温度が十分に安定しているかどうか）を判別して測定装置の使用者に知らせることも可能になる。 3) Conventionally, since a measurement (gain) error occurs due to temperature, it has been necessary to perform warm-up for a sufficient time (for example, 1 hour or more) for highly accurate measurement. By performing the temperature correction of the present invention, the warm-up time can be shortened. Further, by monitoring the temperature change over time, it is possible to determine whether the warm-up has been completed (whether the temperature is sufficiently stable) and notify the user of the measuring apparatus.
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る変位測定装置のブロック構成図である。
ここで、２点鎖線で囲った部分が従来技術に追加した本発明の部分を示している。
また、この図では図３に示す従来のブロックを機能別に結像光学系１，画像センサ部２，画像処理演算部３の３つのグループであらわしている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram of a displacement measuring apparatus according to the present invention.
Here, the part enclosed with a dashed-two dotted line has shown the part of this invention added to the prior art.
Further, in this figure, the conventional block shown in FIG. 3 is represented by three groups of the imaging optical system 1, the image sensor unit 2, and the image processing calculation unit 3 by function.
そして、この例では温度センサ４を画像センサ２の部分に取り付けた状態を示している。なお、温度センサ4の取り付け場所は画像センサ部２の部分に限定されるわけではなく、結像レンズ1の部分であったり、それらを組み合わせた複数箇所であったりしてもよく、要はゲイン誤差と明確な相関関係が得られる適当な場所（例えばセンサ部や鏡筒等）であればよい。 In this example, the temperature sensor 4 is attached to the image sensor 2. The location where the temperature sensor 4 is attached is not limited to the portion of the image sensor unit 2, but may be the portion of the imaging lens 1 or a plurality of combinations of them, the main point being gain Any suitable location (for example, a sensor unit or a lens barrel) where a clear correlation with the error can be obtained.
以下、図１に基づいて動作を説明する。
結像レンズ1によって撮影対象が画像センサ２の受光面に結像され、画像として撮影される。画像処理演算部２では、画像処理によって寸法／変位／速度などが算出され、測定結果（補正前）として出力される（ここまでは、従来技術の動作であり、以下が追加した本発明である）。
The operation will be described below with reference to FIG.
An imaging object is imaged on the light receiving surface of the image sensor 2 by the imaging lens 1 and photographed as an image. In the image processing calculation unit 2, dimensions / displacement / velocity are calculated by image processing and output as measurement results (before correction) (the operation up to this point is a conventional operation, and the following is the present invention added) ).
本発明では温度センサ４により、画像センサ部２等の温度を検出する。温度センサとしては、測温抵抗体、サーミスタ、熱電対などを用いる。温度センサ４は結像レンズ部２に取り付けたり、周囲温度を測定するために離れた場所に設置したり、それらを組み合わせて複数箇所に設置したりしてもよい。 In the present invention, the temperature of the image sensor unit 2 is detected by the temperature sensor 4. As the temperature sensor, a resistance temperature detector, a thermistor, a thermocouple, or the like is used. The temperature sensor 4 may be attached to the imaging lens unit 2, may be installed at a remote location to measure the ambient temperature, or may be installed at multiple locations by combining them.
温度の高低により、例えば図２に示すような測定（ゲイン）誤差が発生する。すなわち、基準状態（校正を行った状態）の温度では誤差は０であるが、その状態から温度が異なると測定（ゲイン）誤差が発生する。 Depending on the temperature, a measurement (gain) error as shown in FIG. 2, for example, occurs. That is, the error is 0 at the temperature in the reference state (the state after calibration), but if the temperature is different from that state, a measurement (gain) error occurs.
この誤差は予め、温度−測定（ゲイン）誤差特性を求めておき、参照テーブルの形や関数の形でデータを補正データ演算部５に格納しておく。
補正データ演算部５では、測定した温度を基に温度補正係数を算出する。例えば、測定した温度が基準状態＋１０℃であり、＋１０℃の時の測定（ゲイン）誤差が＋０．１％であったとすると、補正係数は、１／（１＋０．００１）≒０．９９９となる。
For this error, a temperature-measurement (gain) error characteristic is obtained in advance, and data is stored in the correction data calculation unit 5 in the form of a reference table or function.
The correction data calculation unit 5 calculates a temperature correction coefficient based on the measured temperature. For example, if the measured temperature is the reference state + 10 ° C. and the measurement (gain) error is + 0.1% when the measured temperature is + 10 ° C., the correction coefficient is 1 / (1 + 0.001) ≈0.999. .
補正演算部６では、補正前の測定結果データに温度補正係数を乗算して補正された測定結果を算出する。ここでは補正データ演算部５で補正係数を求めて補正演算部６で乗算を行うという形で説明したが、同様の機能を果たす演算処理であれば上記演算方式に限定するわけではない。 The correction calculation unit 6 calculates a corrected measurement result by multiplying the measurement result data before correction by a temperature correction coefficient. Here, the correction data calculation unit 5 calculates the correction coefficient and the correction calculation unit 6 performs multiplication. However, the calculation method is not limited to the above calculation method as long as the calculation process performs the same function.
補正データ演算部５，補正演算部６の演算処理部分については、必ずしも専用のハードウェアを追加する必要は無く、画像処理演算部３と共通の演算処理ハードウェア（例えばデジタルシグナルプロセッサ(ＤＳＰ)）で行っても良い。 It is not always necessary to add dedicated hardware to the arithmetic processing parts of the correction data arithmetic unit 5 and the correction arithmetic unit 6, and arithmetic processing hardware common to the image processing arithmetic unit 3 (for example, a digital signal processor (DSP)). You may go on.
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。 The above description merely shows a specific preferred embodiment for the purpose of explanation and illustration of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes many changes and modifications without departing from the essence thereof.
１，１６ 結像光学系(レンズ)
２，１７ 画像センサ
３ 画像処理演算部
４ 温度センサ
５ 補正データ演算部
６ 補正演算部
１５ 照明系
１８ クロック発生部
１９ Ａ／Ｄ変換器
２０ 信号処理部
２１ Ｄ／Ａ変換器
２２ 表示器
２３ 基準画像記憶部
２４ 測定画像記憶部
1,16 Imaging optical system (lens)
2,17 Image sensor 3 Image processing calculation unit 4 Temperature sensor 5 Correction data calculation unit 6 Correction calculation unit 15 Illumination system 18 Clock generation unit 19 A /
Claims (4)
2. The displacement measuring device according to claim 1, wherein the temperature sensor includes a resistance temperature detector, a thermistor, and a thermocouple, and is disposed in the displacement measuring device main body or in the vicinity thereof.
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2004
- 2004-07-16 JP JP2004209289A patent/JP2006029983A/en active Pending
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