JP2013238593A - ビジョンシステムカメラ用のレーザプロファイリングアタッチメント - Google Patents

Abstract

【課題】レンズと互いに隔てているレーザとの所定の配置構成を含んでジオメトリと校正パラメータがあらかじめ設定されているプロファイラアセンブリを提供することによって、レーザプロファイリングシステムおよび付随するアプリケーションをセットアップして使用する作業を簡素化するレーザプロファイリングのためのシステムと方法を提供する。
【解決手段】プロファイラアセンブリ１２０は慣用的なビジョンシステムカメラのカメラマウント１１２（典型的にねじ式）に直接装着するように適合されている。プロファイリング作業を実行するために必要とされるすべてのコンポーネントはプロファイラアセンブリ１２０に統合できる。コンポーネントを単一の互換可能／交換可能なアセンブリに統合することにより、アセンブリを特定のプロファイリング用途に対して容易に最適化／適合できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ビジョンシステムカメラ、より具体的には表面プロファイルを撮像するために適合されたビジョンシステムカメラに関する。

レーザビームプロファイラ（単に「レーザプロファイラ」とも呼ぶ）は、ビーム伝搬経路に対して横断方向にある特定の面でレーザビームの空間的強度プロファイルを把捉して決定する。カメラはこの面の上方にあり、カメラレンズ軸はこの面に対して鋭角に位置する。レーザプロファイラは、使用者が三角測量によって面状物体の表面細部を測定して特徴を記述しようとする広範な検査および製造作業において有用である。その１例は、プロファイリング作業によりすべてのキーが同じ高さであるか決定するキーボードの検査である。レーザプロファイラの１形態は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳ設計に基づいていてもよいイメージセンサ（または「イメージャ」）を有するビジョンシステムカメラを使用する。イメージャは、レンズを通して撮像された場面から集中光を受け取る撮像面で、所定の領域のグレースケールまたは色感知ピクセルを定義する。プロファイラは、反射されたレーザ光を面状場面からカメラセンサの（撮像面に対して直角である）光軸に対して鋭角に向ける特定のレンズアセンブリを使用する。このようにして、レーザ軸とレンズ軸とセンサの撮像面の間の直角ではない角度が、いわゆるシャインプルーフの原理を満たすことができ、すべての測定距離でレーザ線の鮮明な画像を定義する（以下に説明する）。すなわち、通常は、カメラ軸が面状場面に直角ではない角度で向けられていると、取得された画像の全高の小さい横断幅のみピントがしっかり合い、この領域の上方と下方ではピントがぼける。

精確なレーザプロファイリングを実行するための重要な課題は、レンズ軸に対するレーザ軸の相対的角度が極めて精確であるべきことである。同様に互いに隔たるレーザとレンズとの間隔は高度に精確に知られるべきである。カメラとレーザの装着固定具の配置構成をセットアップし、しかる後に、この配置構成を校正することは時間がかかり、システム全体の精度と性能のばらつきを招く可能性がある。

それゆえ、レーザプロファイリング配置構成の精確で繰り返し可能なセットアップをより少ない時間と労力で可能にする、ビジョンシステムカメラと一緒に使用するためのレーザプロファイリングシステムの提供が望まれる。

本発明は従来技術の短所を克服するために、レンズと互いに隔てているレーザとの所定の配置を含んでジオメトリと校正パラメータがあらかじめ設定されているプロファイラアセンブリを提供することによって、レーザプロファイリングシステムおよび付随するアプリケーションをセットアップして使用する作業を簡素化するレーザプロファイリングのためのシステムと方法を提供する。プロファイラアセンブリは慣用的なビジョンシステムカメラのカメラマウント（典型的にねじ式）に直接装着するように適合されている。プロファイリング作業を実行するために必要とされるすべてのコンポーネントはプロファイラアセンブリに統合できる。コンポーネントを単一の互換可能／交換可能なアセンブリに統合することにより、アセンブリを特定のプロファイリング用途に対して容易に最適化／適合できる。

例示的な実施形態において、カメラ軸と同軸のマウントを有するビジョンシステムカメラを用いて物体表面をレーザプロファイリングするためのアセンブリが提供される。このアセンブリはレンズベースを包含しており、このレンズベースはレンズ光軸を有するレンズを含んでおり、このレンズベースはまたカメラ軸に対して所定の回転位置でレンズベースをマウントに可動に固定するように構成および配置された装着構造を有する後端部を含んでいる。レンズベースから遠位端に１本のバーが延びている。遠位端は、レーザの投影軸がレンズ光軸に対して所定の方向に向けられる仕方でレーザを支持するように構成および配置されている。アセンブリは、少なくとも第２の統合レーザプロファイラアセンブリと互換できるようにする（例示的に）慣用的なマウントを有するビジョンシステムカメラを包含したレーザプロファイリングシステムの一部であってもよい。２個のレーザプロファイラアセンブリは異なるジオメトリを定義できる。例えば焦点距離、レンズタイプおよび／またはレンズ軸とレーザ投影軸との相対的角度は、異なるプロファイリング作業のために異なっていてもよい。

例示的に、レンズ光軸はカメラ軸に対して鋭角に方向付けられている。後端部は摺動可能に装着されてカメラマウントに螺入する装着リングを含んでいてもよい。同様に、後端部は雄ねじを付けており、装着リングの後方に設置された焦点リングを含む。焦点リングは後端部の雄ねじと螺合して、これらの可変的な軸方向の位置決めができるようになっている。これは装着リングが半マウントの径方向内側の壁に対して締め付けられると当り止めを提供する。このようにして後端部に沿って焦点リングの軸方向位置を設定すると、レンズとカメラセンサの撮像面との間に所望の焦点距離が提供される。一実施形態においてレンズベースとバーは低熱膨張材からなる一体構造を成している。

例示的な実施形態において、レーザプロファイラを配置構成するための方法は、カメラ軸と同軸のマウントと、カメラ軸に対して直角な撮像面を有するセンサとを具備するビジョンシステムカメラを提供することを含む。第１の統合プロファイラアセンブリはカメラマウントに可動に装着されている。このアセンブリはレンズベースと、遠位端にレーザを有するバーとを含んでおり、この遠位端でレンズ光軸とレーザの投影軸とはバーに沿って相隔てている。可動に装着する際に、第１の統合プロファイラアセンブリの装着構造は、レンズベースの後端部に沿って摺動する装着リングによってカメラマウントと螺合している。

別のステップにおいて、方法は付属の統合レーザプロファイラアセンブリに関する幾何学的データと校正パラメータを、ビジョンシステムカメラと連動するビジョンシステムプロセッサに伝送し、プロファイリング作業に付随するビジョンシステムプロセスはこれらのデータを用いてプロファイリング作業を実行することができる。
以下に本発明を添付の図面に基づいて説明する。

代表的なビジョンシステムカメラマウントに付属する例示的な実施形態によるレーザプロファイラアセンブリを含むレーザプロファイリングシステムの斜視図である。 図１の線２−２で切断したシステムの部分的な横断面図である。 図１のレーザプロファイラアセンブリで使用するための扇状の発散ビームを生成する例示的なレーザアセンブリの上面図である。 図１のプロファイラアセンブリの断片的な側面図であり、レーザ軸と一直線になっている場面から画像を取得し、傾斜レンズを介して画像の焦点をカメラセンサの撮像面に合わせる際のシャインプルーフの原理の作用を描写する。 図１のプロファイラアセンブリの側面図である。 図１のプロファイラアセンブリの前方斜視図である。 図１のプロファイラアセンブリの後方斜視図である。 図５の線７−７で切断したプロファイラアセンブリの部分的な横断面図である。 カメラ前面とカメラ本体から取り外されたマウントの、プロファイラアセンブリをカメラに対して垂直方向に調整するガイドピンを含む後方斜視図である。 プロファイラアセンブリの別の実施形態を示す。

図１は、例示的な実施形態によるレーザプロファイリングシステム１００を示す。このシステムは、代表的なビジョンシステムカメラユニット１１０を含むが、これは（例示的に）２次元配列の画像ピクセルを有するイメージセンサを備えた受け入れ可能な任意のカメラであってもよい。カメラ１１０は、複数のビジョンシステムのタスク（例えば、エッジ検出、ブロッブ解析、回転・スケール不変なサーチなど）の一部または全部を実行する内部プロセッサを有する「スマートな」カメラ、例えばマサチューセッツ州ネイティックのコグネックスコーポレーションから出ているインサイトシステムであってもよい。代替的には、カメラはより少ない処理機能を持ち、キャプチャした画像を（有線または無線で）遠隔処理装置、例えば適当なビジョンシステムソフトウェアをインストールしたパーソナルコンピュータ（ＰＣ）に送信できる（図示せず）。本明細書においては、いかなるプロセスまたは手順も電子ハードウェア、プログラム命令の非一時的なコンピュータ可読媒体からなるソフトウェア、またはハードウェアとソフトウェアの組み合わせによって実行され得ることに留意されたい。

カメラ１１０はその本体の前面１１４にレンズ装着ベース（または「マウント」）１１２を含むが、これは慣用的なねじ付きマウント、例えばＣマウント、ＣＳマウントまたはＦマウントであってもよい。カメラ本体の代表的なＣマウント構造１１２は、当業者に公知の慣用的な内径１インチの雌ねじを採用している。図２の横断面図も参照すると、代表的なカメラ１１０は撮像面ＳＰと直角のカメラ光軸ＣＯＡを定義する慣用的なセンサ２１０を含む。このセンサは代表的なカメラ配置構成によれば回路基板アセンブリ２１２の一部であり、これはさらに処理コンポーネント２１６およびインタフェースコンポーネント２１８と相互に接続されている。これらの回路および処理コンポーネントの具体的な実装と機能は非常に可変である。一般に、センサ２１０および付随する撮像面ＳＰの位置は、例示的な実施形態の教示内容、より具体的には付属の例示的なレーザプロファイラアセンブリ１２０と関係している。

レーザプロファイラアセンブリ１２０は、レンズベース１３０と、アーム１４０と、レーザ１５０からなり、レーザ１５０はレンズベース１３０に対してアーム１４０の遠位端／遠隔端に組み付けられている。例示的な実施形態において、レンズベース１３０は鋳造または（ソリッドビレットから）機械加工した剛性構造としてアームと一体として形成されている。一実施形態において、この構造はインバー合金などの低熱膨張材から形成され得る。当業者によれば、十分な強度と剛性を持った他の低熱膨張材を代用できる。このようにして、カメラの加熱および／または周囲温度の変動が、バー１４０を感知できるほどに長くしたり短くしたりすることはない。これにより以下に説明するように、校正および使用の間、アセンブリは寸法的に安定した状態に留まることができる。

レンズベース１３０は、適当なサイズのレンズアセンブリ１６０を収容してレンズ光軸ＬＯＡ（図２）を定義する。レンズ光軸ＬＯＡは（例示的に）センサ／カメラ光軸ＣＯＡに対して鋭角ＡＡで下方に向けられている。一実施形態において角度ＡＡは約１３度であるが、ＡＡに対しては広範な可能な角度（例えば約５〜４５度）が明確に想定されている。レーザアセンブリ１５０は、投影されて水平方向で扇状に広がる発散線を定義できるビームを有する、一般に慣用的な半導体（例えば可視ダイオード）レーザを含む（以下に特に図２Ａを参照して詳しく説明する）。レーザの投影軸ＬＡはバー１４０の垂直軸ＶＡＢに対して上方に傾斜している（角度ＡＬ）。これによりレーザは（プロファイルされている）面状物体表面と合致し、カメラは場面の上方で所定の距離に位置することができ、場面から出る光はレンズ光軸ＬＯＡと一直線上にあるレンズ１６０に戻る。一実施形態において、レーザ軸ＬＡとカメラ光軸ＣＯＡとの間で測ったバーの高さＨＢは約５〜２０センチメートルであり、付随する角度ＡＬは約８０度である。例示的な実施形態において高さＨＢは約８〜９センチメートルである。例示的な実施形態におけるこの高さのより具体的な値を、以下に図３を参照して説明する。このジオメトリはレンズ光軸ＬＯＡとレーザ軸ＬＡとの間に例示的な角度ＡＬＰＨＡ約２５度を生み出すが、他の実施形態では例示的に約５度と５０度の間で異なっていてもよい。これらの幾何学的パラメータは、代替的な実施形態において非常に可変である。より一般的にマウント１１２およびアセンブリレンズベース１３０はカメラ軸ＣＯＡと同軸に配置されており、カメラ軸ＣＯＡはセンサ２１０における撮像面に対して直角である。レンズ１６０は典型的にレンズ光軸ＬＯＡをカメラ軸ＣＯＡに対して鋭角ＡＡに定義する。

本明細書においては、方向および／または向きを表す言葉、例えば垂直、水平、上、下、底部、頂部、側部、前方、後方などは単に相対的な規定として用いられており、重力などのように固定した座標系に対する絶対的な向きを示すものではないことに留意されたい。

さらに図２Ａを参照すると、レーザアセンブリは複数のコンポーネントからなり、アセンブリの放射先端部から出るレーザ光の発散する「線」を生成する。この線（要素２６０で表す）は、図２の横断面に対して直角の面内にあり（すなわちレンズ光軸ＬＯＡとレーザ軸ＬＡとによって定義される面に対して直角でレーザ軸ＬＡも含んだ面内の線）、図示されているように扇２６２となって広がるので、レーザアセンブリ１５０からの距離が大きくなると線は増大する。一実施形態において扇２６２は一般にレーザ軸ＬＡに対して対称的であり、扇の角度ＡＦは約３０度である。角度ＡＦは例示的な実施形態において異なっていてもよい。レーザアセンブリ１５０（破線の箱で示す）は適当な電源２７０によって給電されて、電子レーザダイオード駆動回路２８０を励起する。これらのコンポーネント２７０、２８０は慣用的な設計であってもよい。電源２７０はレーザアセンブリ１５０の上／中に組み付けてもよいし、あるいは典型的には壁電流によって給電され、１以上のリード／ワイヤを使用するアセンブリと作動的に相互接続されている別個のユニットとして提供される。種々の実施形態においてレーザに給電するためにバッテリー電源も採用できる。駆動回路２８０はレーザダイオード２８２を慣用的に駆動して動作させる。レーザダイオード２８２は、可視波長またはほぼ可視波長のレーザ光を伝送する受け入れ可能な任意のユニットであってもよい。レーザダイオード２８２によって放射されたビームは、コリメータレンズ２８４に入るときに発散する。コリメータレンズ２８４は発散するビームを平行にする慣用的な光学素子を含んでいる。伝送されたビームは次に再整形レンズ（または他の光学コンポーネント）によって受け取られ、平行ビームから扇状の発散ビーム２６２が生成される。再形成レンズは多様な光学装置（または個別装置の組み合わせ）を含むことができ、これには円柱レンズ、ホログラフィック素子またはいわゆるパウエルレンズも含むが、これらに限らない。

図３を参照すると、傾斜したレンズプロファイラアセンブリ１２０は、シャインプルーフの原理を満足するものとして示されている。多くの典型的な撮像用途において、レンズ面（レンズ光軸ＬＯＡと直角）と撮像面またはセンサ面ＳＰは平行であり、焦点面（ＰｏＦ）はレンズ面および撮像面と平行である。面状対象（例えば建物の側面）が撮像面とも平行であれば、それはＰｏＦと一致し、対象全体を鮮明に再現できる。しかしながら、図３に示されているように、対象面が撮像面と平行でない場合は、同軸に調整されたレンズとカメラ光軸（ＬＯＡとＣＯＡ、すなわち平行なレンズ面と撮像面）を有する典型的なカメラ配置構成のピントがしっかり合うのは、ＰｏＦと公差する線沿いのみであろう。しかしながら、シャインプルーフの原理に従えば、撮像面から１本の傾斜接線（図３のＳＰ）が延び、レンズ面から他の傾斜接線（図３のＬＰ）が延びると、これらの線はＰｏＦも通っている線（図３の３１０）で出会う。この公差点３１４はシャインプルーフ公差として知られている。この原理に基づき撮像面と平行でない面状表面は、与えられた視野全体で完全にピントが合うことができる。

物体表面（プロファイルされている３１０）はレーザ軸ＬＡの線沿いにある。垂直視野内の種々の点３２０、３２２、３２４が表面３１０に沿って示されている。これらの点３２０、３２２および３２４は、それぞれ種々異なる長さの横断光線３３０（ＬＯＡ）、３３２および３３４に付随する。光線３３０、３３２、３３４はまたセンサの撮像面ＳＰとも横断点３４０との反対側の点３５０、３５２および３５４（すなわちイメージャ入射瞳）で当たる。代表的な実施形態において、シャインプルーフの原理を実現するために、約１０．３２×７．７４ミリメートルの矩形領域を定義する代表的なセンサを用いて適当な（周知の）計算が行われる。横断点３４０（およびレンズ面ＬＰ）からセンサ撮像面ＳＰまでのレンズの焦点長さは約２１．２ミリメートルである。レンズ光軸ＬＯＡ上の横断点３４０と、アセンブリのエミッタ端部３４４におけるレーザ軸ＬＡとの距離ＤＡは約８８．５９ミリメートルである。レンズ光軸ＬＯＡとセンサ撮像面ＳＰとの相対的角度ＢＥＴＡは約７７．１度である。上述したように、レンズ光軸ＬＯＡとレーザ軸ＬＡとの角度ＡＬＰＨＡは約２５度である。光線３３２および３３４はそれぞれＺ方向（矢印Ｚ）に沿って最大視野と動作レンジを定義する。上述した代表的なパラメータに基づいて光線３３２および３３４はレンズ光軸ＬＯＡの両側で各々約９．６度の相対的角度を定義する。これにより表面上の（横断点３４０を通る光線ＤＡからの）最大視距離ＺＭＡＸ約３２１．０４ミリメートル、最小距離ＺＭＩＮ約１２８．５５ミリメートル、および光線ＤＡからの中心までの距離ＺＭ約１８９．９８ミリメートルが提供される。その結果、Ｚ方向における総動作レンジ約１２９〜３２１ミリメートル（カメラハウジングから１１０〜１１５ミリメートル）と物体表面に沿った距離ＺＲＡＮＧＥ約１９２．４９ミリメートルが提供される。点３２４と点３２２との間でＸ方向（紙面に対して直角に示された軸Ｘ）におけるレンジは約６５．７４ミリメートルから１６２．２５ミリメートルに発散する（Ｘ距離９７ミリメートル）。したがってこのレンジにわたるＺ距離はＸ距離の２倍以上であるが、前記原理のためピントが合ったままである。以下に説明するように、この実施形態で記述される角度およびジオメトリは、具体的なプロファイリング作業と所望の三角測量パラメータに応じて広範な値を例示するものである。例えばレーザ軸ＬＡとレンズ光軸ＬＯＡとの角度ＡＬＰＨＡは、約５度と約５０度の間で変わっていてもよい。同様に、レンズ光軸ＬＯＡとレーザ軸ＬＡとの間で示された距離Ｄは約５センチメートルと約２０センチメートルの間で変わっていてもよい。加えて、（カメラシステムの測定レンジを定義する）レンズの焦点長さは、約７ミリメートルと約５０ミリメートルの間で変わっていてもよい。本明細書に記された実施形態によるプロファイラアセンブリにおけるコンポーネントの適当な配置構成は、これらの３種類の特性に対する値を使用し公知の計算を用いることによって決定され得る。

例示的な実施形態において、レンズ１６０は直径約５ミリメートルの歪みの少ない慣用的な大口径タイプであってもよい。このレンズはＭ１２×０．５ねじでレンズベース１３０に装着されている。他の多様なレンズ配置構成が提供されてもよく、これには光を１軸から平行でない他の軸に曲げるためのプリズムコンポーネント（図示せず）を有する配置構成を含む。より具体的には、レンズパラメータとアセンブリのジオメトリ（すなわちカメラ軸に対するレンズ軸の角度、レーザ軸の角度、軸相互の間隔）は具体的なプロファイリング作業に応じて異なっていてもよい。ある作業において焦点距離は１０センチメートルから１メートルであってもよい。別の作業において焦点距離は、非常に精密な測定作業のために数センチメートル以下であってもよい。アセンブリは所望の焦点距離と精密度に専用のものであってもよく、作業に応じて製造者から広範なプロファイラアセンブリモデルを得てもよい。すべてのアセンブリは与えられたビジョンシステムカメラに互換可能に装着できる。

例示的な実施形態において、レンズ１６０は一実施形態のレンズベース内部に固定されて、焦点距離は一般にレンズベースのねじ付き装着構造１７０によって提供される。この構造１７０について、図４〜図７をまとめて参照してより詳細に説明する。装着構造１７０は装着ベース１１２（図２に示す）の雌ねじと嵌合する雄ねじ４１０を含んでいる。例示的な実施形態において、雄ねじ４１０と雌ねじ１１２は慣用的なＣマウントに従って配置されているが、代替的な実施形態において他の慣用的または非慣用的なマウント配置構成も明確に想定されている。Ｃマウント（またはＣＳマウント）ベースを使用すると、所望すればアセンブリ１２０を他のタイプのレンズと交換でき、カメラを異なる機能に対して再タスキングできる。

図示されているように、レンズベース１３０は雄ねじを付けた一体の後端部４２０を含んでおり、そのねじは後肩部４２２まで延びている。後肩部は図７に示されているように面取りされている。例示的な実施形態においてねじ付き端部４２０はＭ２０×０．７５ねじを含んでいるが、このジオメトリは代替的な実施形態では非常に可変である。一般に、部分的には十分大きい（角度をもった）内部開口６１０が、１６０から出る光が雄ねじを妨げることなくセンサを完全に覆うことができるように、ねじ寸法が選択される。図６では端部４２０の内輪の底部が皿状の斜面を含んでおり、レンズ１６０の後側に完全な円筒を提供していることに留意されたい。後端部のねじの外寸はまた後端部４２０の最後部が、マウント１１２の後端部で半径方向内側に向けられた壁２５０（図２）により形成されたオリフィスを通るように選択されている。言い換えれば、後端部４２０の外径は、マウントの後内壁２５０の内径より少なくともわずかに小さい。

図７を参照すると、レンズシステムはレーザの波長以外の光の波長を減衰する適当なバンドパスフィルタ７５０（随意の付属品またはコーティングとして仮想線で示す）を含んでいてもよい。このようにしてシステムは見られた場面の照明された特徴のみ撮像できる。

ねじ付き端部４２０は２個のねじ付きコンポーネントを支持している。Ｃマウント雄ねじ４１０を付けた装着リング４３０は、端部の前方に肩部４２２に面して設けられている。リングは肩部４２２と嵌合するように（随意に）面取りされた前フランジ４３２を有しており、使用者がねじ付き端部４２０（および付随するレンズベース１３０）に対する装着リング４３０の軸方向位置を調整するときに掴んで回すことができる簡便な構造を提供する。ねじ付き端部４２０はまた装着リング４３０の後側と対面する焦点リング４４０を支持している。特に、装着リング４３０は内側にねじを付けておらず、レンズベース１３０の後端部４２０上に摺動するように載っている。反対に、焦点リング４４０は内側にねじを付けており、後端部４２０の雄ねじと嵌合する。焦点リング４４０はこのようにしてねじ付きカメラレンズマウント１１２の後端部で半径方向内側に向けられた壁（図２の２５０）と係合するように適合されている。使用者は、焦点リングの後側がレンズマウント１１２の半径方向内側の壁２５０に隣接しているときに、焦点リングを端部４２０に沿ってセンサに所望のピントを提供する軸方向位置に動かす。装着リング４３０の後端部７２０（図７）と、焦点リング４４０の前端部７３０は、各々円錐台状の嵌合面を定義し、これらの２個のコンポーネントを互いに引き寄せたときに調整された確実な係合が提供される。こうして装着リング４３０はカメラマウント１１２に旋入されるとロックの働きをする。

プロファイラアセンブリをカメラに取り付けるために、使用者は焦点リング４４０を後端部４２０に沿って、センサ上で撮像される場面にとって最良のピントを提供する軸方向位置に位置決めする（または焦点リングが所定の位置に来る）。これはカメラを場面に対して固定し、結果として取得された画像をディスプレイ上で見ながらレンズベースをカメラマウントに当て付けることを伴っていてもよい。焦点リング４４０が適当な軸方向位置に決められて、マウントの半径方向内側の壁２５０に隣接したときに適切なピントが達成されたら、装着リング４３０をマウント１１２内で完全に締め付けることができる。そうすると装着リングの雄ねじとカメラマウントの雌ねじが係合することによって、焦点リング４４０は圧力によってマウント１１２に支持される。この軸方向圧力によってアセンブリ１２０は回転したり軸方向に移動したりすることなく、カメラ本体に対して固く係合したままである。装着リング４３０は後端部４２０に対して自由に回転できる（ねじ止めされていない）ので、装着リング４３０が完全に締め付けられる位置に回転する際に、アセンブリのバー１４０およびレーザ１５０の垂直方向で下方に延びた所望の位置を維持することができる。装着リング４３０と焦点リング４４０はインバー、鋼合金、アルミニウム合金など適当な材料から作り得ることに留意されたい。

プロファイラアセンブリ１２０がカメラ軸に対して所定の回転位置（すなわち垂直方向で下方の向き）に留まることを確保するために、後端部４２０はねじを中断することなく貫通するスロット６５０（図６）を含んでいる。図８を参照すると、カメラの前面１１４は、スロット６５０の幅とほぼ形状が一致する例示的なガイドピン８１０を含んでいる。組み立てる際にレンズベース１３０はカメラ本体と回転調整され、後端部４２０が軸方向で後方にマウント１１２内に駆動されると、ピン８１０はスロット内に入る。この案内構成によって、取り付けプロセスの間およびそれ以降も、カメラ本体とプロファイラアセンブリとの精密で繰り返し可能な垂直方向の関係が維持され得る。代替的な実施形態において、ピンは他の案内機構で代用でき、例えばマウント上に設けた外部案内構造が、プロファイラアセンブリのレンズベース上の対応する構造と係合するようにされてよい。同様に、一時的な案内機構、例えば治具を用いてプロファイラアセンブリをカメラに取り付けることもできる。代替的には、一般に治具や恒久的な案内構造を必要としない慣用的な測定技術を用いてカメラを取り付けることができる。

レーザユニット１５０はバー１４０の遠隔端に対して多様な外形因子と組付け構成を定義できるが、可能な組付け構成はレーザがバー組付け孔５５２内に座着したら締め付ける止めねじ５５０（仮想線で示す）を含む。代替的な実施形態において多様な代替の恒久的なまたは可動な組付け構成を採用できる。この実施形態ではバー１４０は例示的に前後の厚さＴＢ（図５）を約６ミリメートル、左右の幅を約２０ミリメートルと定義する。これらの寸法は、プロファイラアセンブリの全体寸法とバー１４０の全長に応じて非常に可変である。

図９に簡潔に図示されているように、より小さい焦点距離に対して使用できるプロファイラアセンブリ９１０の他の実施形態は、適当なパラメータを有するより急角度に傾斜したレンズ９２０と、より短いバー９３０を含む。特にこのアセンブリ９１０は、他の利用可能なアセンブリと同じ後端部９４０および装着リング９５０を有しているので、等しい形状のカメラマウントを有する共通のカメラユニットに容易に取り付けることができる。この互換性はシステム全体の多用途性を高める。

別の実施形態において、装着リングおよび／または焦点リングはアセンブリの共通の後端部で互換可能であり、そのためアセンブリは種々異なるマウントタイプに適合できる。例えば、ある特定のリングはレンズベース後端部のジオメトリまたはねじを変更することなくＦマウントの取り付けができるようになっている。そのようなマウントはＦマウントの雄ねじと、標準後端部の雌ねじを含んでよい。

図１を参照すると、指定されたプロファイリング作業をより精確に実行するために、カメラプロセッサまたは外部プロセッサにプロファイラアセンブリの特定の幾何学的パラメータ（例えば軸の相対的角度やレーザとレンズの間隔）および必要とされる何らかの校正データを設けることができる。この情報（ブロック１８０で示す）はカメラメモリまたは他の保管場所に保存できる。情報はビジョンシステムプロセス／プロセッサに手動で、または自動的に（例えばプロファイラアセンブリの製造者が提供するセットアップディスク）設けることができる。当業者は、アセンブリ１２０を用いて行われるビジョンプロセスは慣用的なものでも、プロファイリング作業に適するようにカスタマイズされたものでもよいことを理解すべきである。

本明細書の例示的な実施形態によるレーザプロファイリングアセンブリは、多様な表面でレーザプロファイリングを実行するための効果的で単純明快で精確なユニットを提供することがいまや明らかなはずである。このアセンブリは長いセットアップ時間を回避し、試行錯誤することなく多様な幾何学的データと校正データをあらかじめ定めて使用者に提供することを可能にする。このアセンブリはまた、特定のプロファイリング作業、例えば要求された精度、表面寸法および 焦点距離に応じて特別に適合された多様な互換可能なモデルとして提供され得る。

以上に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修正および追加を行うことができる。上述した種々の実施形態の各々の特徴は、説明された他の実施形態の特徴と適切に組み合わせて、付随する新しい実施形態において複数の特徴の組み合わせを提供することができる。さらに、以上に本発明の装置と方法の別個の実施形態を幾つか説明したが、それらは本発明の原理の応用を例示的に示したものに過ぎない。例えばバーは、ろう付けまたは溶接などの機械的な固定技術を用いてレンズベースに取り付けることができる。また、焦点長さを微調整するために、レンズがレンズベース内部で動くことができてもよい。さらに、図示されないが、装着リングのフランジは、使用者が手で回転させるときに握りやすいようにギザギザを付けるなど凹凸を設けた表面を有すしていてもよい。代替的には、装着リングは特殊工具または慣用的な工具で回転できるように適合され得る。加えて、例えば視野の垂直範囲が限られたプロファイリング作業において、レンズはカメラ軸に対して平行でない（急角度の）レンズ軸で位置決めされる必要はない。

さらに、バーはレーザの投影軸がレンズ軸から互いに隔てられることができるどのような構造であってもよい。また、プロファイラアセンブリはアセンブリに固有の幾何学的パラメータおよび／または校正情報を、適当な無線または有線を介して直接カメラおよび／またはビジョンプロセッサ伝送するための電子コンポーネントと適当な接続部を含んでいてもよい。加えて、例示的なプロファイラアセンブリはカメラ光軸に対する所定の回転位置でカメラに装着するように適合されているが、回転位置は任意であり、および／または知られていないことが明確に想定されている。このような場合、取得された画像を公知の技術を用いて適当な回転位置に回転させるために、ビジョンシステムソフトウェアまたは他の機構を採用できる。したがって、上記の説明は、例示を意図したものであって、本発明の範囲を制限することを意図したものではない。

Claims (21)

1. カメラ軸と同軸のマウントを有するビジョンシステムカメラを用いて物体表面をレーザプロファイリングするためのアセンブリであって、
   前記アセンブリはレンズベースを具備しており、該レンズベースはレンズ光軸を有するレンズと、レンズベースをマウントに可動に固定するように構成および配置された装着構造を有する後端部とを含んでおり、
   さらに前記アセンブリはレンズベースから遠位端に延びるバーを具備しており、
   前記遠位端は、レーザの投影軸がレンズ光軸に対して所定の方向に向けられる仕方でレーザを支持するように構成および配置されている、
   前記アセンブリ。
2. 前記レンズ光軸は、カメラ軸に対して鋭角に方向付けられている、請求項１記載のアセンブリ。
3. 前記後端部は、雄ねじを付けた後端部上に摺動可能に装着された装着リングを含んでいる、請求項２記載のアセンブリ。
4. 前記後端部は雄ねじを付け、装着リングの後方に設置された焦点リングを含んでおり、前記焦点リングは後端部の雄ねじと螺合してこれらの可変的な軸方向の位置決めができるようになっている、請求項３記載のアセンブリ。
5. 前記後端部は、カメラ上の対応する構造と嵌合する案内構造を含み、これらの間に所定の回転位置を維持する、請求項４記載のアセンブリ。
6. 前記装着リングの雄ねじが慣用的なカメラマウントねじを定義する請求項４記載のアセンブリ。
7. 前記レンズベースと前記バーの各々は低熱膨張材からなる一体構造を成している、請求項２記載のアセンブリ。
8. 前記レンズ光軸は、レーザの投影軸に対して約１５〜５０度の範囲の角度にある、請求項２記載のアセンブリ。
9. 前記カメラ軸は、バーに沿ってレーザの投影軸から約５〜２０センチメートル隔てて位置する、請求項２記載のアセンブリ。
10. 前記レンズベースは、カメラ軸に対して所定の回転位置で装着するように構成および配置されている、請求項２記載のアセンブリ。
11. 前記後端部は雄ねじを付け、装着リングの後方に設置された焦点リングを含んでおり、前記焦点リングは後端部の雄ねじと螺合してこれらの可変的な軸方向の位置決めができるようになっており、さらに前記後端部は、カメラ上の対応する構造と嵌合する案内構造を含んでおり、これらの間に所定の回転位置を維持するようになっている、請求項１０記載のアセンブリ。
12. 前記レーザは、レンズ光軸と投影軸とにより定義され、該投影軸も含んだ面に対して直角な面内の線を包含する扇状の発散ビームを投影するように構成および配置されている、請求項２記載のアセンブリ。
13. 前記レンズは、レーザによって投影された光の波長以外の波長で受け取った光を実質的に減衰させるバンドパスフィルタを含んでいる、請求項２記載のアセンブリ。
14. カメラ軸と同軸のマウントと、カメラ軸に対して直角な撮像面を有するセンサとを具備するビジョンシステムカメラ、および
    前記マウントに可動に装着された第１の統合プロファイラアセンブリを含んでおり、
    前記第１の統合プロファイラアセンブリはレンズベースを具備しており、該レンズベースはレンズ光軸を有するレンズと、レンズベースをマウントに可動に固定するように構成および配置された装着構造を有する後端部とを含んでおり、
    さらに前記第１の統合プロファイラアセンブリはレンズベースから遠位端に延びるバーを具備しており、
    前記遠位端は、レーザの投影軸がレンズ光軸に対して所定の方向に向けられる仕方でレーザを支持するように構成および配置されている、
    レーザプロファイリングビジョンシステム。
15. さらに、カメラ上で第１の統合プロファイラアセンブリと互換するように構成および配置された第２の統合プロファイラアセンブリを含んでおり、
    前記第２の統合プロファイラアセンブリはレンズベースを具備しており、該レンズベースはレンズ光軸を有するレンズと、カメラ軸に対して所定の回転位置でレンズベースをマウントに可動に固定するように構成および配置された装着構造を有する後端部とを含んでおり、
    さらに前記第２の統合プロファイラアセンブリはレンズベースから遠位端に延びるバーを具備しており、
    前記遠位端は、レーザの投影軸がレンズ光軸に対して所定の方向に向けられる仕方でレーザを支持するように構成および配置されている、請求項１４記載のシステム。
16. 前記第１の統合プロファイラアセンブリは第１のジオメトリを定義し、前記第２の統合プロファイラアセンブリは前記第１のジオメトリと異なる第２のジオメトリを定義する、請求項１５記載のシステム。
17. カメラ軸と同軸のマウントと、カメラ軸に対して直角な撮像面を有するセンサとを具備するビジョンシステムカメラを提供するステップと、
    レンズベースと遠位端にレーザを有するバーとを具備した第１の統合プロファイラアセンブリを可動に装着するステップとを含み、前記遠位端でレンズ光軸とレーザの投影軸とはバーに沿って互いに隔てて位置し、可動に装着するステップは第１の統合プロファイラアセンブリの装着構造をマウントと螺合することを含む、
    レーザプロファイラを配置する方法。
18. さらに、マウント内で第１の統合プロファイラアセンブリが、レンズベースと遠位端にレーザを有するバーとを具備した第２の統合プロファイラアセンブリと互換することを含み、前記遠位端でレンズ光軸とレーザの投影軸とはバーに沿って互いに隔てて位置し、前記第１の統合プロファイラアセンブリは第１のジオメトリを定義し、前記第２の統合プロファイラアセンブリは前記第１のジオメトリと異なる第２のジオメトリを定義する、請求項１７記載の方法。
19. さらに、第１の統合レーザプロファイラアセンブリに関する幾何学的データと校正パラメータを、ビジョンシステムカメラと連動するビジョンシステムプロセッサに伝送することを含む、請求項１７記載の方法。
20. さらに、レーザを用いてレンズ光軸と投影軸とにより定義され、該投影軸も含んだ面に対して直角な面内の線を包含する扇状の発散ビームを投影することを含む、請求項１７記載の方法。
21. さらに、ビジョンシステムカメラがレーザによって投影された光の波長以外の波長で受け取った光をバンドパスフィルタで減衰することを含む、請求項１７記載の方法。

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