JP2009222449A - レンズ系を用いた距離計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複雑な画像取込み手段を用いることなく、通常の光学系用いる簡易な光学系を用いた距離計測装置を得ること。
【解決手段】被対象物５からの光を集束する凸レンズ１２と、該凸レンズ１２の光を遮蔽すると共に、少なくとも第１孔ｅ1、第２孔ｅ2を有する第１マスク手段２０と、該第１マスク手段２０の第１孔ｅ1、第２孔ｅ2及び凸レンズ１２を通過した第１光束、第２光束に基づいてそれぞれ第１画像、第２画像を撮像する第１撮像素子１４と、第1撮像素子１４から得られた第１画像、第２画像に基づいて被対象物５との距離を検知する第１距離検出部３０と、を備えたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レンズ系を用いた距離計測装置に関するものである。

従来のレンズ系を用いた距離計測装置は、ぼけ量の解析が容易となるように光を通過させる瞳形状を有する光通過手段と、この光通過手段を通過した光を収束するレンズ系と、このレンズ系によって収束された光を二つ以上の光に分離し、これら分離した光から、互いに相違する合焦位置の画像をそれぞれ取り込む画像取込み手段と、これら画像を用いて対象の距離を演算する距離演算手段とを具え、光通過手段及びレンズ系によってテレセントリック光学系を構成している。

距離計測装置によれば、対象の距離を計測するに当たり、得られた画像に含まれるぼけを比較・解析し、その量から合焦位置を求める必要がある。このため、光通過手段をぼけ量の解析が容易となるように構造化する。これによって、ぼけによる情報損失を最小限に抑制し、高精度な距離計測が可能になる。

画像取出し手段は、光通過手段を通過した光を、各々がほぼ同一光量の二つ以上の光に分離し、分離した光から、互いに相違する奥行きを有する対象に関する画像をそれぞれ取り出す。これによって、表面テレテクスチャの種類に依存しない解析が可能になる。

さらに、通常の光学系では、光通過手段を主点の近辺に配置するために、像面の位置に応じて画像上の像の大きさに差異が生じるのに対して、通過手段及びレンズ系によってテレセントリック光学系を構成しているので、画像取出し手段によって取り出される複数の画像間の像倍率が等しくなる。

特開平１１−３３７３１３号公報

しかしながら、 上記距離計測装置は、通過手段及びレンズ系によってテレセントリック光学系を構成しており、しかも、画像取込み手段によりレンズ系によって収束された光を二つ以上の光に分離し、これら分離した光から、互いに相違する合焦位置の画像をそれぞれ取り込でいた。上記画像取込み手段を具現化すると、分光特性を除去するために全ての面が再蒸着されると共に収束光が第１面に入射される第１プリズムと、第１プリズムの第２面に第１面を接合した第２プリズムと、第２プリズムの第２面に第１面を接合した第３プリズムと、第１プリズムの第２面及び第１面による反射光が入射される第１撮像素子と、第２プリズムの第２面及び第１面による反射光が入射される第２撮像素子と、第１、第２及び第３プリズムの通過光が入射される第３撮像素子とを具え、これら第１、第２及び第３撮像素子の光学的配置が互いに相違するような構成にしなければならない。
したがって、上記画像取込み手段が複雑であると共に、通常の光学系に比較してテレセントリック光学系が複雑な構成であるという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、複雑な画像取込み手段を用いることなく、しかも、通常の光学系用いる簡易な光学系を用いた距離計測装置を提供することを目的とする。

第１の発明に係るレンズ系を用いた距離計測装置は、被対象物からの光を集束するレンズ系と、該レンズ系を遮蔽すると共に、少なくとも第１孔、第２孔を有する第１マスク手段と、該第１マスク手段の前記第１孔、第２孔及び前記レンズ系を通過する第１光束、第２光束に基づいてそれぞれ第１画像、第２画像を撮像する第１撮像手段と、前記第1撮像手段から得られた第１画像、第２画像に基づいて前記被対象物との距離を検知する第１距離検出手段と、を備えたことを特徴とするものである。
距離計測装置によれば、第１マスク手段の第１孔、第２孔及びレンズ系を通過した第１光束、第２光束に基づいてそれぞれ第１画像、第２画像が第１撮像手段に生じる。第１撮像手段が第１画像、第２画像を撮像して第１距離検出手段が第１画像、第２画像に基づいて被対象物との距離を検知する。
ここに、上記「第1撮像手段から得られた第１画像、第２画像に基づいて被対象物との距離を検知する第１距離検出手段と、」における第１画像、第２画像に基づくとは、例えば、第１画像と第２画像との距離を検知して、該距離に対応する距離計測装置から被対象物との距離までの第１テーブルを予め用意しておいて、該第１テーブルから第１画像と第２画像との距離に対応する被対象物との距離を読み出して求めることができる。
また、第１マスク手段の第１孔、第２孔は貫通しておれば、円形など任意の形状で、三つ以上でも良い。また、レンズ系は、一つのレンズでも、複数のレンズでも良い。

第２の発明に係るレンズ系を用いた距離計測装置は、レンズ系又は第１撮像手段の少なくともいずれか一方となる第１移動部を、被対象物に対して移動する第１移動手段を備え、前記第１移動手段により前記第１移動部を移動し、前記第１撮像手段は、第1画像及び第２画像を撮像し、第１距離検出手段は、前記第１画像と第２画像との距離の変化に基づいて前記被対象物との距離を検知する、ことが好ましい。
これにより、第１移動部の移動距離に対応して第１画像と第２画像との距離の変化から被対象物との距離を検知するので、被対象物の距離の検出精度が向上すると共に、被対象物の表面形状を計測し易くなる。

第３の発明に係るレンズ系を用いた距離計測装置は、第１マスク手段の第１孔を遮蔽する第１遮蔽手段と、前記第１マスク手段の第２孔を遮蔽する第２遮蔽手段とを備え、第１撮像手段は、前記第１遮蔽手段により前記第１孔を遮蔽した際の第２孔を通過する第２光束に基づいて撮像し、前記第２遮蔽手段により前記第２孔を遮蔽した際の第１孔を通過する第１光束に基づいて撮像する、ことが好ましい。
これにより、第１画像と第２画像とが近接していても、第１画像又は第２画像のみを撮像するので、第１画像及び第２画像の撮像精度が向上する。このため、第１画像、第２画像を精度良く検知してから、被対象物との距離を検知するので、該距離の検出精度が向上する。

第４の発明に係るレンズ系を用いた距離計測装置は、第１孔又は第２孔の少なくともいずれか一方を塞ぐと共に、色彩を有するフィルター手段を有することが好ましい。
これにより、第１画像と第２画像とが近接していても、第１画像又は第２画像の少なくともいずれか一方が色彩を有するので、第１画像及び第２画像の撮像精度が向上する。このため、第１画像、第２画像に基づいて被対象物との距離を検知するので、該距離の検出精度が向上する。

第５の発明に係るレンズ系を用いた距離計測装置における第１マスク手段には、第１孔と第２孔とを結ぶ平行線に対して非平行に少なくとも第３孔が設けられており、第１撮像手段は、前記第３孔及びレンズ系を通過する第３光束に基づいて第３画像を撮像し、第１距離検出手段は、前記第１撮像手段から得られた第１画像から第３画像に基づいて被対象物との距離を検知する、ことが好ましい。
これにより、被対象物５に線状な特徴点が有り、該特徴点が第１マスク手段の第１孔と第２孔と平行でも、該平行と非平行に少なくとも第３孔を設けることにより、第１及び第２画像に加えて、新たな第３画像を得ることができる。第１又は第２画像と第３画像との距離を検出することにより、被対象物との距離を正確に検出できる。

第６の発明に係るレンズ系を用いた距離計測装置は、被対象物からの光を集束するレンズ系と、該レンズの中心領域を遮蔽する第２マスク手段と、該第２マスク手段の周囲及び前記レンズ系を通過する光束に基づいて得られた画像を撮像する第２撮像手段と、該第２撮像手段から得られた画像に基づいて前記被対象物との距離を検知する第２距離検出手段と、を備えたことを特徴とするものである。
距離計測装置によれば、第２マスク手段を介してレンズ系を通過した光束に基づいて得られた画像が第２撮像手段に生じる。第２撮像手段が該画像を撮像して第２距離検出手段が該画像に基づいて被対象物との距離を検知するので、被対象物との距離を正確に検出できる。
ここに、「第２撮像手段から得られた画像に基づいて前記被対象物との距離を検知する第２距離検出手段と、」における第２撮像手段から得られた画像に基づいてとは、例えば、該画像の濃淡情報から該画像の周波数帯域を求め、該周波数帯域に対応する距離計測装置から被対象物との距離までの第２テーブルを予め用意しておいて、該第２テーブルから画像の周波数帯域に対応する被対象物との距離を読み出して求めることができる。

第７の発明に係るレンズ系を用いた距離計測装置は、レンズ系又は第２撮像手段の少なくともいずれか一方となる第２移動部を、被対象物に対して移動する第２移動手段を備え、前記第２移動手段により前記第２移動部を移動し、前記第２撮像手段は、得られた画像を撮像し、第２距離検出手段は、前記画像の変化から前記被対象物との距離を検知する、ことが好ましい。
これにより、第２移動部の移動距離に対応した画像の変化に基づいて被対象物との距離を検知するので、被対象物の距離の検出精度が向上すると共に、被対象物の表面形状を計測し易くなる。
ここに、画像の変化とは、画像の濃淡に基づく周波数帯域の変化などをいう。

本発明によれば、複雑な画像取込み手段を用いることなく、しかも、通常の光学系用いる簡易な光学系を用いた距離計測装置を得ることができる。

実施の形態１．
本発明の一実施の形態の基本原理を図１から図４によって説明する。図１及び図２は一実施の形態の基本原理を示す距離計測装置の原理図、図３は図１及び図２に示す被対象物の第１表面から得た撮像素子の画像(ａ)、同様に、基準面ｈ2から得た撮像素子の画像（ｂ）、第３表面から得た撮像素子の画像(c)の模式図、図４は図３に示す第１表面及び基準面の画像の濃淡値と画像上の位置とを示す特性曲線図(ａ)、画像の濃淡値と画像上の位置とを示す特性曲線図(ｂ)である。

図１及び図２おいて、凹凸面を有する被対象物５は、第１表面h１、第２表面(基準面)h２、第３表面h３を有している。実際の被対象物５は、もっと多数の凹凸面を有するが、本発明の実施形態の原理を説明するために、上記のように三つの第１表面h１,第２表面h2,第３表面h3を有するものとする。
このように、距離計測装置の第１撮像系１０は、レンズ系としての凸レンズ１２と、該凸レンズ１２を通過した光線を通じて得られた画像を撮像すると共に、多数のピクセルを有する第１撮像素子１４とを備えており、凸レンズ１２の前に二つの第１，第２孔ｅ1,ｅ2を有する第１マスク手段２０を有している。第１マスク手段２０は、板状の円形で、中心から対称に第１光束を通過させる貫通した第１孔e1と、第１孔e1から平行に所定距離離れた第２光束を通過させる貫通した第２孔e2とが設けられており、第１，第２孔ｅ1,ｅ2以外は、光線を遮蔽するように形成されている。

図１において、被対象物５の第１表面h１から点線で示すＡ光束ｂ１1,Ｂ光束ｂ12は、第１マスク手段２０の第１，第２孔ｅ1,ｅ2をそれぞれ通過して凸レンズ１２に入射して、凸レンズ１２で屈折して撮像素子１４の撮像面に到達すると、撮像素子１４では、焦点が合ってない、つまり合焦点位置でないため、図３(a)に示すようにぼけた円形状の第１画像としてのＡ画像Ｓａ，第２画像としてのＢ画像Ｓｂが得られる。このＡ画像Ｓａ，Ｂ画像Ｓｂの濃淡値と画像上の位置との関係は、図４(a)の点線に示すように、急峻な山形状の第１特性曲線ｆａ，第２特性曲線ｆｂとなる。
なお、説明の便宜上、画像は９０°回転して表示している。

図１において、被対象物５の第２表面h2から実線で示す第１光束としてのＣ光束ｂ21，第２光束としてのＤ光束ｂ22は、第１マスク手段２０の第１，第２孔ｅ1,ｅ2をそれぞれ通過して凸レンズ１２に入射して、凸レンズ１２で屈折し、撮像面が合焦点位置に到達すると、撮像素子１４では、図３(b)に示すように合焦点位置のため、第１画像と第２画像とが重なって得られた鮮明で円形なＣ画像Ｓｃが得られる。Ｃ画像Ｓｃは、被対象物５の第１表面h１から第２表面ｈ2に近づくに従いＡ画像ＳａとＢ画像Ｓｂとの距離が狭くなり、第２表面ｈ2では、Ａ画像ＳａとＢ画像Ｓｂとが重なったものである。このＣ画像Ｓｃの濃淡値と画像上の位置との関係は、図４(ａ)及び図４(ｂ)の実線に示すように、急峻な略山状の第３特性曲線ｆｃとなる。

図２に示すように、被対象物５の第３表面h3から一点鎖線で示す第１光束としてのＤ光束ｂ31，第２光束としてのＥ光束ｂ32は、第１マスク手段２０の第１，第２孔ｅ1,ｅ2をそれぞれ通過して凸レンズ１２に入射して、凸レンズ１２で屈折して撮像素子１４に到達する。撮像素子１４では、図３(c)に示す二つのボケた円形状の第１画像としてのＤ画像Ｓｄ、第２画像としてのＥ画像Ｓｅが得られ、図４(ｃ)の一点鎖線に示すように、急峻な山形状の第５特性曲線ｆｄ，第６特性曲線ｆｅとなる。

次に、撮像素子１４が得た画像から撮像系１０の凸レンズ１２から被対象物５の表面までの距離を求める手段を図５及び図６によって説明する。図５は、図３に示す画像と撮像素子のピクセルの対応図(ａ)、画像の濃淡値と画像上の位置とを示す特性曲線図(ｂ)、図６は画像の濃淡値と画像上の位置とを示す特性曲線図(ｂ)、画像の二点間の距離と被対象物とレンズとの距離を示す特性曲線図である。
第１撮像素子１４は、図５に示すように、多数の正方形のピクセルから成り、第１距離検出部は上記Ａ画像Ｓａ〜Ｅ画像Ｓｅの一つが得られた特徴点から、画像を有するピクセルを特定する。図３(ａ)に示すように、撮像素子１４によりＡ，Ｂ画像Ｓａ，Ｓｂが得られると、Ａ画像Ｓａが第１ピクセルＰ46により検知されてＡ画像Ｓａの位置が特定され、Ｂ画像Ｓｂが第２ピクセルP66により検知されてＢ画像Ｓｂの位置が特定される。第１距離検出部３０は、Ａ画像Ｓａの中心とＢ画像Ｓｂの中心とから二点間距離ｄ1を求めると共に、図６(ｂ)に示すように該二点間距離に対応した凸レンズ１２から被対象物５の表面までの距離の第１テーブルを有しており、該第１テーブルから該距離ｄ1に対応した被対象物５の第1表面ｈ1から凸レンズ１２との距離Ｌ1を読み出すように形成されている。

次に、被対象物５の第２表面h2を撮像すると、撮像素子１４には、図３(b)に示すように、二つの点が重なったＣ画像Ｓｃが得られる。つまり、第１撮像系１０が被対象物５を撮像した合焦点位置となり、Ｃ画像Ｓｃが第３ピクセルＰ56により検知されてＣ画像Ｓｃの位置が特定される。第１距離検出部３０は、一つの画像しかないので、画像間の距離ｄ2がゼロとなり、上記第１テーブルから距離ゼロに対応した被対象物５の第２表面ｈ2から凸レンズ１２との距離Ｌ2を求めて記憶する。

さらに、被対象物５の第３表面ｈ3を撮像すると、撮像素子１４には、図３(ｃ)に示すＤ画像Ｓｄ，Ｅ画像Ｓｅが得られる。図５に示すように、Ｄ画像Ｓｄが第５ピクセルＰ86により検知されてＤ画像Ｓｄが特定され、第６画像Ｓｅが第６ピクセルP26により検知されて第６画像Ｓｅの位置が特定される。第１距離検出部３０は、第５画像Ｓｄの中心と第６画像Ｓｅの中心とから距離ｄ2を求め、上記第１テーブルから距離ｄ2に対応する被対象物５の第３表面ｈ3から凸レンズとの距離Ｌ3を求めて記憶する。

このような距離計測装置によれば、Ａ画像ＳａとＢ画像Ｓｂ、Ｄ画像ＳｄとＥ画像Ｓｅに対応する二点間の距離を求め、図６(b)に示すように上記画像の二点間の距離と被対象物５の表面と凸レンズ１２との距離が略直線状を示す。なお、合焦点位置におけるＣ画像Ｓｃの距離は、上記で説明したようにゼロである。
第１距離検出部３０は、被対象物５の第１表面ｈ1と凸レンズ１２間の距離Ｌ１と、被対象物５の第２表面ｈ2との凸レンズ１２間の距離Ｌ２との差から、基準面ｈ2を基準として被対象物５の突出量を求めることもできる。
同様に、第１距離検出部３０は、被対象物５の第２表面ｈ2と凸レンズ１２間の距離Ｌ２と、被対象物５の第３表面ｈ3との凸レンズ１２間の距離Ｌ３との差から、基準面ｈ2を基準として被対象物５の窪み量を求めることができる。

距離計測装置は、凹凸面を有する被対象物５からの光を集束する凸レンズ１２と、該凸レンズ１２を遮蔽すると共に、第１孔ｅ1、第２孔ｅ2を有する第１マスク手段２０と、該第１マスク手段２０の第１孔ｅ1、第２孔ｅ2及び凸レンズ１２を通過する第１光束、第２光束に基づいてそれぞれ得られた第１画像、第２画像を撮像する撮像素子１４と、撮像素子１４から得られた第１画像、第２画像に基づいて被対象物５の表面との距離を検知する第１距離検出部３０と、を備えたものである。

上記距離計測装置によれば、該第１マスク手段２０の第１孔ｅ1、第２孔ｅ2及び凸レンズ１２を通過した第１光束、第２光束に基づいてそれぞれ得られた第１画像、第２画像を第１撮像素子１４が撮像することにより、第１距離検出部３０は、第１画像と第２画像との距離を求め、該距離に基づいて被対象物５の表面との距離を検知する。これにより、被対象物５の凹の深さ、凸の突出値を高精度に検出できる。

上実施形態では、第１マスク手段２０の中心から対称に二つの第１孔ｅ１，第２孔ｅ2を設けたが、三つ以上の孔でも良く、第１孔ｅ１と、第２孔ｅ2とを対称に設けなくても良い。
また、第１マスク手段２０は、凸レンズ１２から離して設けたが、凸レンズ１２に固着しても良い。

また、上記実施形態１に加えて、第１移動部としての第１撮像系１０を被対象物５に対して接近させた第１位置、遠ざけた第２位置などの複数の位置で、該第１マスク手段２０の第１孔ｅ1、第２孔ｅ2及び凸レンズ１２を通過する第１光束、第２光束に基づいてそれぞれ得られた第１画像と第２画像とを撮像素子１４が撮像し、第１距離検出部３０は、各位置毎に第１画像と第２画像との距離を求めて記憶し、複数の該距離に基づいて被対象物５の表面との凸レンズ１２との距離を検知しても良い。
これにより、第１撮像系１０の移動距離に対応して第１画像と第２画像との距離との関係から被対象物５との距離を検知するので、被対象物５と凸レンズ１２との距離の検出精度が向上すると共に、被対象物５の表面形状を計測し易くなる。
なお、上記実施形態では、第１撮像系１０を移動したが、凸レンズ１２又は第１撮像素子１４の少なくともいずれか一方を移動しても良い。

実施形態２．
本発明の他の実施の形態を図７及び図８によって説明する。図７は、被対象物の基準面に近い撮像素子の画像の模式図(ａ)、濃淡値と画像上の位置とを示す特性曲線図(ｂ)、図８は、第１及び第２シャッターを開放した場合の画像の模式図(ａ)、第１シャッターのみを開放した場合の画像の模式図(ｂ)、第２シャッターのみを開放した場合の画像の模式図(ｃ)である。
上記実施形態１において、第１撮像系１０が被対象物５の基準面に近い面を撮像すると、撮像素子１４の画像が図７(ａ)に示すように、第１画像Ｓａと第２画像Ｓｂとか混在した略ダルマ状の画像となり、このダルマ状の濃淡値と画像上の位置とを示す特性曲線図が略駱駝のこぶ状となり第１画像Ｓｓと第２画像Ｓｂとの距離の検知がしにくくなる。これを解決するのが本実施の形態である。
すなわち、本実施の形態は、第１画像Ｓａと第２画像Ｓｂとが混在した画像でも、第１画像Ｓａと第２画像Ｓｂとの距離を精度良く検出することにより、被対象物５の表面と凸レンズ１２との距離を正確に検出するものである。

図８において、距離計測装置は実施形態１の構成に加え、四角形で板状の第１及び第２遮蔽部材５１，５２を第１マスク手段２０の前に備え、該第１又は第２遮蔽部材５１，５２により第１マスク手段２０の第１孔ｅ1又は第２孔ｅ2を選択するように形成されている。
このような距離計測装置によれば、図８(ｂ)に示すように、第１遮蔽部材としての第１シャッター５１を開放し、第２遮蔽部材としての第２シャッター５２を閉じて第１孔ｅ１のみから第１光束を通過して撮像素子１４が第１画像Ｓａのみを撮像し、第１距離検出部３０は、第１画像Ｓａの中心となる第１位置を求めて記憶する。次に、図８(ｃ)に示すように、第１シャッター５１を閉じて第２シャッター５２を開放して第２孔ｅ2のみから第２光束を通過して撮像素子１４が第２画像Ｓｂのみを撮像し、第１距離検出部３０は、第２画像Ｓ２の中心となる第２位置を求めて記憶する。
第１距離検出部３０は、記憶された第１位置と第２位置とから距離を求めて、該距離に対応した凸レンズ１２から被対象物５の表面までの距離の第１テーブルを有しており、該テーブルから該距離に対応した被対象物５の表面から凸レンズ１２との距離を読み出す。

また、上記実施形態２の構成に加えて、第１マスク手段２０の第１孔ｅ1を、光束が通過すると共に、赤などの第１色彩を有する第１フィルター(図示せず)と、マスク手段２０の第２孔ｅ2を、光束が通過すると共に、青などの第２色彩を有する第２フィルター(図示せず)とを備えることが好ましい。これにより、第１画像Ｓａ及び第２画像Ｓｂの判別が容易となる。
なお、第１，第２フィルターは、偏光フィルターでも良い。

実施形態３．
本発明の他の実施の形態を図９及び図１０によって説明する。図９は他の実施の形態を示し、被対象物の正面図(a)、第１マスク手段の正面図 (b)、第１マスク手段の第１孔と第２孔との平行線に対して、被対象物の線状な特徴点が平行の場合の合焦点位置での画像の模式図(c)、焦点位置がずれた位置での画像の模式図(d)、図１０は他の実施の形態を示し、被対象物の正面図(a)、四つ孔を設けた第１マスク手段の正面図 (b)、合焦点位置での画像の模式図(c)、焦点位置がずれた位置での画像の模式図(d)である
上記実施形態１において、被対象物５に線状な特徴点５ａとして例えば傷が有り、該特徴点５ａが第１マスク手段２０の第１孔ｅ1と第２孔ｅ２と平行な関係にあると、被対象物５の特徴点５aを合焦点位置及び、合焦点位置からずれて第１撮像系１０が撮像すると、撮像素子１４の画像が図９(c)及び(d)に示すように、第１画像としてのＡ画像Ｓａと第２画像としてのＢ画像Ｓｂとか混在した略長方形の画像となり、Ａ画像ＳａとＢ画像Ｓｂとの距離が極めて検知しにくくなる。これを解決するのが本実施の形態である。

すなわち、本実施の形態は、被対象物５に線状な特徴点５ａが有り、該特徴点５ａが第１マスク手段２０の第１孔ｅ1と第２孔ｅ２と平行でも、該平行と直角に交わるように、図１０(b)に示すように、第３孔ｅ3、第４孔ｅ4を設けることにより、Ａ画像Ｓａ，Ｂ画像Ｓｂに加えて、図１０(d)に示すように、新たな第３画像Ｓ3，第４画像Ｓ4を得ることができる。第１撮像素子１４が第３画像Ｓ3，第４画像Ｓ4を撮像して第１距離検出部が第３画像Ｓ3と第４画像Ｓ4との距離を精度良く検出することにより、被対象物５の表面と凸レンズ１２との距離を正確に検出するものである。
また、第１孔ｅ1と第２孔ｅ２とに平行線を引き、該平行線に直角に交わるように、図１０(b)に示すように、第３孔ｅ3、第４孔ｅ4を設けたが、該平行線と交わる位置に第３孔ｅ3、第４孔ｅ4を設ければ良い。
また、第１マスク手段２０に第３孔ｅ3、第４孔ｅ4を設けたが、第３孔ｅ3又は第４孔ｅ4いずれか一方の孔で良い。

実施形態４．
本発明の他の実施の形態の原理を図１１及び図１２によって説明する。図１１は、距離計測装置の原理図、図１２は図１１の被対象物の第２表面から得た撮像素子の画像の模式図(ａ)、同様に、第１表面，第３表面から得た画像の模式図（ｂ）、画像の濃淡値と位置とを示す特性曲線図（ｃ）である。図１１中、図１と同一符号は、同一部分を示し説明を省略する。
本実施の形態は、上記実施形態１と同様に、マスク手段を用いるものであるが、その形状が上記実施形態１とは異なる。すなわち、第２マスク手段１２０は、図１１に示すように、凸レンズ１２の中心部の領域に凸レンズ１２に入射される光束を遮断する円形の形状をしている。
距離計測装置の第２撮像系１１０は、レンズ系としての凸レンズ１２と、該凸レンズ１２を通過した光線を通じて撮像すると共に、多数のピクセルを有する第２撮像素子１１４とを備えており、

図１１において、被対象物５の第１表面h１から点線で示す光束ｂ１1,ｂ12が第２マスク手段１２０の周囲をそれぞれ通過して凸レンズ１２に入射して、凸レンズ１２で屈折して第２撮像素子１１４の撮像面に到達すると、第２撮像素子１１４では、合焦点位置でないため、図１２(a)に示すように、ボケた円形状の第１非合焦点画像Ｓ21が得られ、第１非合焦点画像Ｓ21の濃淡値と位置との関係は、図１２(ｃ)に示すように、太い点線で示す略山状な第１特性曲線f21となる。

図１１において、被対象物５の第２表面h2から実線で示す光束ｂ21，ｂ22が第２マスク手段１２０の周辺をそれぞれ通過して凸レンズ１２に入射して、凸レンズ１２で屈折し、第２撮像素子１１４の撮像面が合焦点位置に到達すると、第２撮像素子１１４では、図１２(ａ)に示すように鮮明な円形の合焦点画像Ｓ22が得られ、合焦点画像Ｓ22の濃淡値と位置との関係は、図１２(c)に示すように、太い実線で示す略山状な第２特性曲線f22となる。
さらに、図１１に示すように、被対象物５の第３表面h3から一点鎖線で示す光束ｂ31，ｂ31が第２マスク手段１２０の周辺をそれぞれ通過して凸レンズ１２に入射して、凸レンズ１２で屈折して第２撮像素子１１４の撮像面に到達すると、第２撮像素子１１４では、図１２(ｂ)に示すように、ボケた円形状の第２非合焦点画像Ｓ23が得られ、図１２(c)に示すように、太い点線で示す略山状な第３特性曲線f23となる。

図１２(c)から理解できるように、第１特性曲線f21と第２特性曲線f22(第３特性曲線f23)とは、ピーク値と周波数帯域とが異なり、特に、第２マスク手段１２０がない場合に比較して周波数帯域で顕著な差を有する。このため、この周波数帯域の特性を利用して被対象物５の表面と凸レンズ１２との距離を求めることができる。

第２距離検出部１３０は、第１特性曲線f21の第１周波数帯域と、第２特性曲線f22(第３特性曲線f23)の第２周波数帯域を求めてそれぞれ記憶し、第１周波数帯域と第２周波数帯域との差Δｆを求める。ここで、該Δｆ値に対して、被対象物５と凸レンズ１２との距離値とのテーブルを予め用意しておいて、該Δｆ値に対応する距離値を読み出すようにしている。

また、上記実施形態１に加えて、第１移動部としての第１撮像系１０を被対象物５に対して接近させたりした第１位置、遠ざけたりした第２位置などの複数の位置で、第２撮像素子は、該第２マスク手段１２０及び凸レンズ１２を通過した光束に基づいて得られた画像を撮像し、第２距離検出部１３０は、各位置毎に画像の周波数帯域を求めて記憶し、複数の該周波数帯域に基づいて被対象物５の表面と凸レンズ１２との距離を検知しても良い。
これにより、第２撮像系１１０の移動距離に対応して画像の周波数帯域の関係から被対象物５との距離を検知するので、被対象物５と凸レンズ１２との距離の検出精度が向上すると共に、被対象物５の表面形状を計測し易くなる。
なお、上記実施形態では、第２撮像系１１０を移動したが、凸レンズ１２又は第１撮像素子１４の少なくともいずれか一方を移動しても良い。

実施例１．
本発明の一実施例を図１３によって説明する。図１３は一実施例を示す距離計測装置の全体図である。図１３中、図１と同一符号は、同一部分を示し、説明を省略する。
図１３において、被対象物５は略階段状で、第１表面ｈ1と基準表面(第２表面)ｈ2と第３表面ｈ3とを有しており、第１表面ｈ1，基準表面ｈ2，第３表面ｈ3は、それぞれが図３の正面から見て微小な幅を有している。
距離計測装置は、第1移動部としての第１撮像系１０をＺ軸方向に上下させるためにＬ形状の台７に立設されたボールネジ６２と、このボールネジ６２に螺合されると共に、第１撮像系１０が固定されたモータ等を有する駆動機構６０と、第１撮像系１０の下部に設けられたシャッター部５０とを備えており、駆動機構６０を動作させる位置指令信号を発生すると共に、シャッター部５０を動作させる切換え指令信号を発生する第１制御部７０を有している。
シャッター部５０は、第1マスク手段２０の第1孔ｅ1のみを塞ぐ第１シャッター５１と、第1マスク手段２０の第２孔ｅ2のみを塞ぐ第２シャッターとを有しており、第１または第２シャッターを選択できるように形成されている。

さらに、距離計測装置は、第１制御部７０からの位置指令信号により駆動機構６０を駆動する撮像系駆動部６５と、第１制御部７０からの切換え指令信号によりシャッター部５０の第１又は第２シャッター５１,５２を選択する切換え駆動部５５と、第１撮像系１０の第１撮像素子１４が撮像した画像を取込み、該画像から第１撮像系１０の凸レンズ１２から被対象物５の表面までの距離を求める第１距離検出部３０を有している。
第１距離検出部３０は、第１画像と第２画像との距離を求める二点間検知部３２と、この二点間距離を記憶すると共に、該二点間距離に対応した凸レンズ１２から被対象物５の表面までの距離の第１テーブルを有する第１記憶部３４と、該二点間距離を読み出すと共に、第１撮像系１０の凸レンズ１２から被対象物５の表面までの距離を求める第１距離算出部３６と、を備えている。
なお、駆動機構６０、ボールネジ６２、撮像系駆動部６５が第１移動手段を成している。

上記のように構成された距離計測装置の動作を図１３及び図１４を参照して説明する。図１４は図１３の距離計測装置の動作を示すフローチャートである。
まず、予め第１撮像系１０のＺ軸方向の開始位置と最終位置と、開始位置から最終位置までの間で、撮像するための停止位置となる各移動位置とを設定して第１制御部７０に記憶する。第１制御部７０は、切換え指令信号を発生して切換え駆動部５５を介して第１シャッター５１を開放して第２シャッター５２を閉成し(ステップＳ１０１)、撮像系駆動部６５を介して第１撮像系１０を開始位置に移動するように位置指令信号を発生して移動する(ステップＳ１０３)。第１距離検出部３０は、第１撮像系１０の第１撮像素子１４が撮像した第１画像としてのＡ画像Ｓａを第１記憶部３４に記憶する(ステップＳ１０５)。

第１制御部７０は、切換え駆動部５５を介して第１シャッター５１を閉成して第２シャッター５２を開放し(ステップＳ１０７)、第１距離検出部３０は、第１撮像系１０の第１撮像素子１４が撮像した第２画像としてのＢ画像Ｓｂを第１記憶部３４に記憶する(ステップＳ１０９)。二点間検知部３２は、第１記憶部３２からＡ画像Ｓａ及びＢ画像Ｓｂとを読み出してＡ画像ＳａとＢ画像Ｓｂとの距離を求めて第１記憶部３４に記憶する(ステップＳ１１１)。

第１制御部７０は第１撮像系１０が最終位置に達したか否かを判断し、最終位置に達していないと、各移動位置に第１撮像系１０を移動して上記ステップＳ１０１〜Ｓ１１１を実行する。やがて、第１撮像系１０が最終位置に達すると、第１距離検出部３０の第１距離算出部は、第１記憶部３４に記憶された上記第１テーブルと、多数の上記二点間距離に基づいて被対象物５の表面とレンズ１２との距離を求めて(ステップＳ１１５)、終了する。
この求めた距離を用いて被対象物５の表面形状h1,h2,h3を得ることもできる。

実施例２．
本発明の他の実施例を図１５によって説明する。図１５は他の実施例を示す距離計測装置の全体図である。図１５中、図１１及び図１３と同一符号は、同一部分を示し、説明を省略する。
図１５において、距離計測装置は、第２移動部としての第２撮像系１１０と、駆動機構６０を動作させる位置指令信号を発生する第２制御部１７０と、第２距離検出部１３０とを有しており、第２距離検出部１３０は、画像などを記憶する第２記憶部１３４と、駆動機構６０の各停止位置における画像の周波数帯域を検知して第２記憶部１３４に記憶すると共に、基準位置と各位置とにおける画像の周波数帯域の差を求めて第２記憶部１３４に記憶する周波数帯域検知部１３２と、予め用意された該帯域差と第２撮像系１１０の凸レンズ１２から被対象物５の表面までの距離との第２テーブルを有し、上記帯域差を第２記憶部１３４から読み出すと共に、該帯域差に対応する第２撮像系１１０の凸レンズ１２から被対象物５の表面までの距離を上記第２テーブルから求める第２距離算出部１３６と、を備えている。
なお、駆動機構６０、ボールネジ６２、撮像系駆動部６５が第２移動手段を成している。

上記のように構成された距離計測装置の動作を図１５及び図１６を参照して説明する。図１６は図１５の距離計測装置の動作を示すフローチャートである。
まず、Ｚ軸方向の開始位置と最終位置と、開始位置から最終位置までの間で、撮像するための停止位置となる各移動位置とを設定して第２制御部１７０に記憶する。第２制御部１７０は、撮像系駆動部６５を介して第２撮像系１１０を開始位置に移動するように位置指令信号を発生して移動する(ステップＳ２０３)。第２距離検出部１３０は、第２撮像素子１１４が撮像した開始位置としての第１停止位置の画像を第２記憶部１３４に記憶する(ステップＳ２０５)。

周波数帯域検知部１３２は、第１停止位置の画像の第１周波数帯域を検知して第２記憶部１３４に記憶する(ステップＳ２０７)、第２距離検出部１３０は、撮像回数が２回以上か否かを判定し、２回以下であるので(ステップＳ２０９)、２回以下であることを第２制御部１７０に送信する。第２制御部１７０は、第２撮像系１１０が最終位置に達したか否かを判定し、まだ、最終位置に達していないので(ステップＳ２１３)、第２制御部１７０は、撮像系駆動部６５を介して第２撮像系１１０を予め定めた第２停止位置へ移動するために位置指令信号を発生して移動する(ステップＳ２０３)。
第２距離検出部１３０は、第２撮像素子１１４が撮像した第２停止位置の画像を第２記憶部１３４に記憶し(ステップＳ２０５)、周波数帯域検知部１３２は、上記第２停止位置の画像の第２周波数帯域を検知して第２記憶部１３４に記憶する(ステップＳ２０７)。

第２距離検出部１３０は、撮像回数が２回以上か否かを判定し、２回以上であるので(ステップＳ２０９)、周波数帯域検知部１３２は、第２記憶部１３４から第１及び第２周波数帯域を読み出し第１周波数帯域と第２周波数帯域との差Δf12を求めて第２記憶部１３４に記憶し、第２制御部１７０は、第２撮像系１１０が最終位置に達したか否かを判定し(ステップＳ２１３)、達していないと、上記ステップＳ２０３〜Ｓ２０９を実行して、周波数帯域検知部１３２は、第１周波数帯域と第３周波数帯域との差Δｆ13を求め第２記憶部１３４に記憶する(ステップＳ２１１)。

やがて第２撮像系１１０が最終位置に達すると(ステップＳ２１３)、第２距離算出部１３６は、上記差Δｆ12，ｆ13を第２記憶部１３４から読み出して上記第２テーブルを利用して被対象物５の表面とレンズ１２との距離を求めて(ステップＳ２１７)終了する。
この求めた距離を用いて被対象物５の表面形状h1,h2,h3を得ることもできる。

本発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

本発明は、レンズ系を用いた距離計測装置に適用できる。

本発明の一実施の形態で、第１表面と基準面とを計測する場合を示す距離計測装置の原理図である。 本発明の一実施の形態で、第３表面と基準面とを計測する場合を示す距離計測装置の原理図である。 図１及び図２に示す被対象物の第１表面から得た撮像素子の画像の模式図(ａ)、同様に、基準面から得た画像の模式図（ｂ）、第３表面から得た画像の模式図（ｃ）である。 図３に示す第１表面及び基準面から得た画像の濃淡値と画像上の位置とを示す特性曲線図(ａ)、同様に、第３表面及び基準面から得たの画像の濃淡値と位置とを示す特性曲線図（ｂ）である。 図３に示す画像と撮像素子のピクセルの対応図(ａ)、画像の濃淡値と画像上の位置とを示す特性曲線図(ｂ)である。 画像の濃淡値と画像上の位置とを示す特性曲線図(ａ)、画像の二点間の距離と被対象物とレンズとの距離を示す特性曲線図(ｂ)である。 本発明の他の実施の形態を示し、被対象物の基準面に近い画像の模式図(ａ)、濃淡値と画像上の位置とを示す特性曲線図(ｂ)である。 第１及び第２シャッターを開放した場合の画像の模式図(ａ)、第１シャッターのみを開放した場合の画像の模式図(ｂ)、第２シャッターのみを開放した場合の画像の模式図(ｃ)である。 本発明の他の実施の形態を示し、被対象物の正面図(a)、第１マスク手段の正面図 (b)、第１マスク手段の第１孔と第２孔との平行線に対して、被対象物の線状な特徴点が平行の場合の合焦点位置での撮像した画像の模式図(c)、焦点位置がずれた位置での撮像した画像の模式図(d)である。 本発明の他の実施の形態を示し、被対象物の正面図(a)、四つ孔を設けた第１マスク手段の正面図 (b)、合焦点位置での画像の模式図(c)、焦点位置がずれた位置での画像の模式図(d)である。 本発明の他の実施の形態で、第１表面，第３表面と基準面とを計測する場合を示す距離計測装置の原理図である。 図１１に示す被対象物の第２表面から得た撮像素子の画像の模式図(ａ)、同様に、第１表面及び第３表面から得た画像の模式図（ｂ）、第２マスク手段がない場合の合焦点位置と、焦点がずれた場合の濃淡値と画像上の位置とを示すと共に、第２マスク手段がある場合の第１表面及び基準面の画像の濃淡値と画像上の位置とを示す特性曲線図(ｃ)である。 本発明の一実施例を示す距離計測装置の全体図である。 図１３の距離計測装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の他の実施例を示す距離計測装置の全体図である。 図１５の距離計測装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

５ 被対象物、１０ 第１撮像系、１２ 凸レンズ、１４ 第１撮像素子、２０ 第１マスク手段、３０ 第１距離検出部、１１０ 第２撮像系、１１４ 第２撮像素子、１２０ 第２マスク手段、１３０ 第２距離検出部、第１孔 ｅ1、第２孔 ｅ2、第３孔 ｅ3、第４孔 e４。

Claims (7)

1. 被対象物からの光を集束するレンズ系と、
   該レンズ系の前記光を遮蔽すると共に、少なくとも第１孔、第２孔を有する第１マスク手段と、
   該第１マスク手段の前記第１孔、第２孔及び前記レンズ系を通過する第１光束、第２光束に基づいてそれぞれ第１画像、第２画像を撮像する第１撮像手段と、
   前記第1撮像手段から得られた第１画像、第２画像に基づいて前記被対象物との距離を検知する第１距離検出手段と、
   を備えたことを特徴とするレンズ系を用いた距離計測装置。
2. 前記レンズ系又は前記第１撮像手段の少なくともいずれか一方となる第１移動部を、前記被対象物に対して移動する第１移動手段を備え、
   前記第１移動手段により前記第１移動部を移動し、前記第１撮像手段は、前記第1画像及び前記第２画像を撮像し、前記第１距離検出手段は、前記第１画像と第２画像との距離の変化に基づいて前記被対象物との距離を検知する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のレンズ系を用いた距離計測装置。
3. 前記第１マスク手段の第１孔を遮蔽する第１遮蔽手段と、
   前記第１マスク手段の第２孔を遮蔽する第２遮蔽手段と、を備え、
   前記第１撮像手段は、前記第１遮蔽手段により前記第１孔を遮蔽した際の第２孔を通過する第２光束に基づいて撮像し、前記第２遮蔽手段により前記第２孔を遮蔽した際の第１孔を通過する第１光束に基づいて撮像する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレンズ系を用いた距離計測装置。
4. 前記第１孔又は第２孔の少なくともいずれか一方を覆うフィルター手段を有する、
   ことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のレンズ系を用いた距離計測装置。
5. 前記第１マスク手段には、前記第１孔と前記第２孔とを結ぶ平行線に対して非平行に少なくとも第３孔が設けられており、
   第１撮像手段は、前記第３孔及び前記レンズ系を通過する第３光束に基づいて第３画像を撮像し、
   前記第１距離検出手段は、前記第1撮像手段から得られた第１画像から前記第３画像に基づいて前記被対象物との距離を検知する、
   ことを特徴とする請求項１から４の何れかに記載のレンズ系を用いた距離計測装置。
6. 被対象物からの光を集束するレンズ系と、
   該レンズ系の中心領域を遮蔽する第２マスク手段と、
   該第２マスク手段の周囲及び前記レンズ系を通過する光束に基づいて得られた画像を撮像する第２撮像手段と、
   該第２撮像手段から得られた画像に基づいて前記被対象物との距離を検知する第２距離検出手段と、
   を備えたことを特徴とするレンズ系を用いた距離計測装置。
7. 前記レンズ系又は前記第２撮像手段の少なくともいずれか一方となる第２移動部を、前記被対象物に対して移動する第２移動手段を備え、
   前記第２移動手段により前記第２移動部を移動し、前記第２撮像手段は、得られた画像を撮像し、前記第２距離検出手段は、前記画像の濃淡の変化から前記被対象物との距離を検知する、
   ことを特徴とする請求項５に記載のレンズ系を用いた距離計測装置。

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