JP4795191B2 - Position measuring sensor, three-dimensional position measuring apparatus, and three-dimensional position measuring method - Google Patents
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Description
本発明は、対象物に設けられた輝点を検出して対象物の3次元位置を計測する位置計測センサ、3次元位置計測装置、及び3次元位置計測方法に関するものである。 The present invention relates to a position measuring sensor, a three-dimensional position measuring apparatus, and a three-dimensional position measuring method for detecting a bright spot provided on an object and measuring a three-dimensional position of the object.
従来、対象物の3次元位置を計測する技術として、2つのカメラを対象物に対して異なる角度に配置し、これらのカメラの位置関係、及びこれらのカメラによって取得された対象物の画像に基づいて、対象物の3次元位置を計測するステレオカメラ法が知られている。ステレオカメラ法では、2つのカメラによって取得された各画像における対象物の対応点を探索し、これらの対応点の位置ずれ量に基づいて、対象物までの距離情報を三角測量の原理で求めることができる。 Conventionally, as a technique for measuring the three-dimensional position of an object, two cameras are arranged at different angles with respect to the object, and based on the positional relationship between these cameras and the image of the object acquired by these cameras. A stereo camera method for measuring the three-dimensional position of an object is known. In the stereo camera method, the corresponding points of the object in each image acquired by the two cameras are searched, and the distance information to the object is obtained based on the principle of triangulation based on the positional deviation amount of these corresponding points. Can do.
図14は、従来のステレオカメラ法による3次元位置計測方法を説明するための概略図である。図14に示すカメラ51,52は、同一の内部パラメータを持つものであり、カメラ51,52の水平軸Xcが一致するように配置されている。このとき、カメラ51,52によって取得された画像上での対象点Pの座標U1,U2は、次式(1),(2)により表現される(ただし、f:焦点距離、b:カメラ51,52間の距離)。
ここで、画像上での対象点Pの位置ずれ量dは、次式(3)により表現することができる。
つまり、次式(4)を用いて、求めることができる。
Here, the positional deviation amount d of the target point P on the image can be expressed by the following equation (3).
That is, it can be obtained using the following equation (4).
しかし、従来のステレオカメラ法では、ビデオフレームレート(30フレーム/s)のカメラを用いている上、対応点の検索において、エッジ抽出処理、左右画像のマッチング処理など、複雑な画像処理を必要としていた。これにより、3次元位置計測を高速で行うことは困難であった。 However, the conventional stereo camera method uses a camera with a video frame rate (30 frames / s) and requires complex image processing such as edge extraction processing and left-right image matching processing in searching for corresponding points. It was. This makes it difficult to perform three-dimensional position measurement at high speed.
そこで、上記ステレオカメラ法による3次元位置計測における問題点を解決する技術として、画像処理機能を有するセンサであるプロファイルセンサ(光検出装置)が提案されている(例えば、特許文献1参照)。図15は、プロファイルセンサの概略構成図である。図15に示すように、プロファイルセンサ61は、2次元配列された複数の画素62を備え、各画素62は、2つの受光領域63,64に分割されている。一方の受光領域63は、X方向に電気的に接続され、他方の受光領域64は、Y方向に電気的に接続されている。
Therefore, as a technique for solving the problems in the three-dimensional position measurement by the stereo camera method, a profile sensor (light detection device) that is a sensor having an image processing function has been proposed (for example, see Patent Document 1). FIG. 15 is a schematic configuration diagram of a profile sensor. As shown in FIG. 15, the
プロファイルセンサ61は、光を検出すると、X方向及びY方向の射影(プロファイル)データを出力する。このようなプロファイルセンサ61を用いて、対象物の3次元位置計測を行う場合、対象物に設けられた複数の輝点(光)を検出し、出力されたデータを処理することで、複数の輝点の位置情報を取得して対象物の3次元位置を求めることができる。通常のm×n画素の2次元センサでは、m×n個のデータが出力されるのに対して、プロファイルセンサ61では、m+n個のデータが出力される。すなわち、プロファイルセンサ61では、出力されるデータが大幅に圧縮されているため、後段の処理を簡素化することができる。これにより、3次元位置計測の高速化が図られ、小型化かつ廉価とされたプロファイルセンサ61を提供することができる。
しかしながら、上記特許文献1に記載の従来技術では、対象物に設けられた複数の輝点が受光領域の接続方向(X方向、Y方向)に重なった場合に、X方向、Y方向の射影データから各輝点の位置情報を分離することは困難であった。このため、各輝点の位置情報を正確に取得することが難しく、位置計測精度が低下することがあった。
However, in the conventional technique described in
本発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、位置計測の高速化を図ると共に、位置計測精度の向上を図った位置計測センサ、3次元位置計測装置、及び3次元位置計測方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve such problems. A position measurement sensor, a three-dimensional position measurement apparatus, and a three-dimensional position measurement apparatus that are designed to speed up position measurement and improve position measurement accuracy. An object is to provide a position measurement method.
本発明による位置計測センサは、対象物に設けられた複数の輝点からの光を検出する位置計測センサであって、画素が2次元配列された光感応領域を有する第1のプロファイルセンサ及び第2のプロファイルセンサを備え、画素は、各々入射した光の強度に応じた電流を出力する複数の光感応部分が同一面内に隣接して配設され、2次元配列における第1の方向に配列された複数の画素にわたり、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち一方の光感応部分同士が電気的に接続され、2次元配列における第2の方向に配列された複数の画素にわたり、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち他方の光感応部分同士が電気的に接続され、第1のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向と、第2のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向とが一致していないことを特徴としている。 A position measurement sensor according to the present invention is a position measurement sensor that detects light from a plurality of bright spots provided on an object, and includes a first profile sensor having a photosensitive region in which pixels are two-dimensionally arranged, and a first profile sensor. The pixel includes two profile sensors, and each pixel has a plurality of light-sensitive portions that output a current corresponding to the intensity of incident light, arranged adjacent to each other in the same plane, and arranged in a first direction in a two-dimensional array. Across the plurality of pixels, one of the plurality of photosensitive portions constituting each pixel is electrically connected, and over the plurality of pixels arranged in the second direction in the two-dimensional array, The other photosensitive portions of the plurality of photosensitive portions constituting each pixel are electrically connected to each other, the electrical connection direction of the photosensitive portions in the first profile sensor, and the second profile section. It is characterized in that the electrical connection direction between the photosensitive portions do not match the service.
このような位置計測センサによれば、第1のプロファイルセンサ及び第2のプロファイルセンサは、一方の光感応部分同士が2次元配列における第1の方向に配列された複数の画素にわたって電気的に接続され、他方の光感応部分同士が2次元配列における第2の方向に配列された複数の画素にわたって電気的に接続されているため、第1の方向での射影データと第2の方向での射影データとをそれぞれ独立して得ることが可能となる。従って、後段の画像処理を簡素化することができ、対象物の3次元位置計測の高速化を図ることが可能となる。また、位置計測センサは、第1のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向と、第2のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向とが一致していないため、一方のプロファイルセンサの光感応部分同士の電気的接続方向に、複数の輝点が重なった場合であっても、他方のプロファイルセンサの光感応部分同士の電気的接続方向に、複数の輝点が重ならないため、各輝点の正確な位置情報を取得することができる。従って、位置計測精度の向上を図ることができる。 According to such a position measurement sensor, the first profile sensor and the second profile sensor are electrically connected across a plurality of pixels in which one photosensitive portion is arranged in the first direction in the two-dimensional array. And the other photosensitive parts are electrically connected across a plurality of pixels arranged in the second direction in the two-dimensional array, so that the projection data in the first direction and the projection in the second direction Data can be obtained independently. Therefore, the subsequent image processing can be simplified, and the speed of the three-dimensional position measurement of the target can be increased. In the position measurement sensor, the electrical connection direction between the photosensitive portions in the first profile sensor and the electrical connection direction between the photosensitive portions in the second profile sensor do not coincide with each other. Even if multiple bright spots overlap in the electrical connection direction of the light sensitive parts of the sensor, multiple bright spots do not overlap in the electrical connection direction of the light sensitive parts of the other profile sensor. In addition, accurate position information of each bright spot can be acquired. Therefore, it is possible to improve the position measurement accuracy.
また、本発明による3次元位置計測装置は、対象物に設けられた複数の輝点からの光を検出する位置計測センサと、位置計測センサを駆動させるための駆動信号を出力する駆動信号発生手段と、位置計測センサからの検出信号に基づいて、対象物の3次元位置を演算する3次元位置演算手段と、を具備し、位置計測センサは、画素が2次元配列された光感応領域を有する第1のプロファイルセンサ及び第2のプロファイルセンサを備え、画素は、各々入射した光の強度に応じた電流を出力する複数の光感応部分が同一面内に隣接して配設され、2次元配列における第1の方向に配列された複数の画素にわたり、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち一方の光感応部分同士が電気的に接続され、2次元配列における第2の方向に配列された複数の画素にわたり、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち他方の光感応部分同士が電気的に接続され、第1のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向と、第2のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向とが一致していないことを特徴としている。 The three-dimensional position measurement apparatus according to the present invention includes a position measurement sensor that detects light from a plurality of bright spots provided on an object, and a drive signal generation unit that outputs a drive signal for driving the position measurement sensor. And a three-dimensional position calculating means for calculating a three-dimensional position of the object based on a detection signal from the position measuring sensor, and the position measuring sensor has a photosensitive region in which pixels are two-dimensionally arranged. The pixel includes a first profile sensor and a second profile sensor, and each pixel has a plurality of photosensitive portions that output a current corresponding to the intensity of incident light and are arranged adjacent to each other in the same plane. Across the plurality of pixels arranged in the first direction in FIG. 1, one of the plurality of photosensitive portions constituting each pixel is electrically connected, and arranged in the second direction in the two-dimensional array. The The other photosensitive portions of the plurality of photosensitive portions constituting each pixel are electrically connected across the plurality of pixels, the electrical connection direction of the photosensitive portions in the first profile sensor, and the first In the second profile sensor, the electrical connection directions of the photosensitive portions do not coincide with each other.
このような3次元位置計測装置によれば、第1のプロファイルセンサ及び第2のプロファイルセンサは、一方の光感応部分同士が2次元配列における第1の方向に配列された複数の画素にわたって電気的に接続され、他方の光感応部分同士が2次元配列における第2の方向に配列された複数の画素にわたって電気的に接続されているため、第1の方向での射影データと第2の方向での射影データとをそれぞれ独立して得ることが可能となる。従って、後段の画像処理を簡素化することができ、対象物の3次元位置計測の高速化を図ることが可能となる。また、位置計測センサは、第1のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向と、第2のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向とが一致していないため、一方のプロファイルセンサの光感応部分同士の電気的接続方向に、複数の輝点が重なった場合であっても、他方のプロファイルセンサの光感応部分同士の電気的接続方向に、複数の輝点が重ならないため、各輝点の正確な位置情報を取得することができる。従って、位置計測精度の向上を図ることができる。 According to such a three-dimensional position measuring apparatus, the first profile sensor and the second profile sensor are electrically connected over a plurality of pixels in which one photosensitive portion is arranged in the first direction in the two-dimensional arrangement. And the other photosensitive parts are electrically connected across a plurality of pixels arranged in the second direction in the two-dimensional array, so that the projection data in the first direction and the second direction Can be obtained independently from each other. Therefore, the subsequent image processing can be simplified, and the speed of the three-dimensional position measurement of the target can be increased. In the position measurement sensor, the electrical connection direction between the photosensitive portions in the first profile sensor and the electrical connection direction between the photosensitive portions in the second profile sensor do not coincide with each other. Even if multiple bright spots overlap in the electrical connection direction of the light sensitive parts of the sensor, multiple bright spots do not overlap in the electrical connection direction of the light sensitive parts of the other profile sensor. In addition, accurate position information of each bright spot can be acquired. Therefore, it is possible to improve the position measurement accuracy.
また、本発明による3次元位置計測方法は、対象物に設けられた複数の輝点からの光を検出する位置計測センサを用いて、対象物の3次元位置を計測する3次元位置計測方法であって、位置計測センサは、画素が2次元配列された光感応領域を有する第1のプロファイルセンサ及び第2のプロファイルセンサを備え、画素は、各々入射した光の強度に応じた電流を出力する複数の光感応部分が同一面内に隣接して配設され、2次元配列における第1の方向に配列された複数の画素にわたり、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち一方の光感応部分同士が電気的に接続され、2次元配列における第2の方向に配列された複数の画素にわたり、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち他方の光感応部分同士が電気的に接続され、第1のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向と、第2のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向とが一致しないように、第2のプロファイルセンサを、第1のプロファイルセンサに対して傾けて配置することを特徴としている。 The three-dimensional position measurement method according to the present invention is a three-dimensional position measurement method that measures the three-dimensional position of an object using a position measurement sensor that detects light from a plurality of bright spots provided on the object. The position measurement sensor includes a first profile sensor and a second profile sensor each having a photosensitive region in which pixels are two-dimensionally arranged, and each pixel outputs a current corresponding to the intensity of incident light. A plurality of light-sensitive portions are arranged adjacent to each other in the same plane, and one of the light-sensitive portions constituting each pixel extends over a plurality of pixels arranged in the first direction in the two-dimensional array. The sensitive parts are electrically connected to each other, and the other photosensitive parts of the plurality of photosensitive parts constituting each pixel are electrically connected to each other over a plurality of pixels arranged in the second direction in the two-dimensional array. Connected and second The second profile sensor is used as the first profile sensor so that the electrical connection direction of the photosensitive portions in the profile sensor of FIG. 2 does not match the electrical connection direction of the photosensitive portions in the second profile sensor. It is characterized by being tilted with respect to it.
このような3次元位置計測方法によれば、一方の光感応部分同士が2次元配列における第1の方向に配列された複数の画素にわたって電気的に接続され、他方の光感応部分同士が2次元配列における第2の方向に配列された複数の画素にわたって電気的に接続されたプロファイルセンサを用いるため、第1の方向での射影データと第2の方向での射影データとをそれぞれ独立して得ることが可能となる。従って、後段の画像処理を簡素化することができ、対象物の3次元位置計測の高速化を図ることが可能となる。また、3次元位置計測方法では、第1のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向と、第2のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向とが一致しないように、第2のプロファイルセンサを、第1のプロファイルセンサに対して傾けて配置する。これにより、一方のプロファイルセンサの光感応部分同士の電気的接続方向に、複数の輝点が重なった場合であっても、他方のプロファイルセンサの光感応部分同士の電気的接続方向に、複数の輝点が重ならないため、各輝点の正確な位置情報を取得することができる。従って、位置計測精度の向上を図ることができる。 According to such a three-dimensional position measuring method, one photosensitive portion is electrically connected across a plurality of pixels arranged in the first direction in the two-dimensional array, and the other photosensitive portion is two-dimensional. Since profile sensors electrically connected across a plurality of pixels arranged in the second direction in the array are used, projection data in the first direction and projection data in the second direction are obtained independently. It becomes possible. Therefore, the subsequent image processing can be simplified, and the speed of the three-dimensional position measurement of the target can be increased. Further, in the three-dimensional position measurement method, the second electrical connection direction between the photosensitive portions in the first profile sensor is not matched with the electrical connection direction between the photosensitive portions in the second profile sensor. The profile sensor is inclined with respect to the first profile sensor. Thereby, even if a plurality of bright spots overlap in the electrical connection direction between the light-sensitive portions of one profile sensor, a plurality of light connections in the electrical connection direction between the light-sensitive portions of the other profile sensor. Since the bright spots do not overlap, accurate position information of each bright spot can be acquired. Therefore, it is possible to improve the position measurement accuracy.
本発明の位置計測センサ、3次元位置計測装置、及び3次元位置計測方法によれば、位置計測の高速化を図ると共に、位置計測精度の向上を図ることができる。 According to the position measurement sensor, the three-dimensional position measurement device, and the three-dimensional position measurement method of the present invention, it is possible to increase the speed of position measurement and improve the position measurement accuracy.
以下、本発明による位置計測センサ、3次元位置計測装置、及び3次元位置計測方法の好適な第1実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図1は、本発明の第1実施形態に係る位置計測センサを備えた3次元位置計測装置の概略構成図、図2は、本発明の第1実施形態に係るプロファイルセンサを収容したパッケージの平面図、図3は、本発明の第1実施形態に係るプロファイルセンサを示す概略構成図、図4は、本発明の第1実施形態に係る光感応領域を具体的に示す平面図である。 Hereinafter, a preferred first embodiment of a position measurement sensor, a three-dimensional position measurement device, and a three-dimensional position measurement method according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or corresponding elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a three-dimensional position measuring apparatus including a position measuring sensor according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view of a package containing a profile sensor according to the first embodiment of the present invention. 3 is a schematic configuration diagram showing the profile sensor according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a plan view specifically showing the photosensitive region according to the first embodiment of the present invention.
図1に示す3次元位置計測装置1は、対象物2の3次元位置や向きを計測するものであり、対象物2に設けられた複数の輝点3〜5からの光を検出する第1のプロファイルセンサ6及び第2のプロファイルセンサ7を備えたセンサ部(位置計測センサ)8と、このセンサ部8を制御すると共に、センサ部8からの検出信号(射影データ)に基づいて、対象物2の3次元位置を演算する演算部9とを具備している。
A three-dimensional
対象物2に設けられた複数の輝点3〜5は、互いに異なる射影データ(輝点プロファイル)となるように、互いに異なる輝度、大きさに設定されている。輝点3〜5は、例えば、LEDなどの発光デバイスや反射板などの反射デバイスによって構成される。
The plurality of
センサ部8は、互いに異なる位置に配置された第1のプロファイルセンサ6及び第2のプロファイルセンサ7を備えている。第1のプロファイルセンサ6及び第2のプロファイルセンサ7は、同じ構成のものである。第1のプロファイルセンサ6と第2のプロファイルセンサ7とは、設置される角度が異なっている(詳しくは、後述する)。以下、第1のプロファイルセンサ6及び第2のプロファイルセンサ7の両方を指す場合には、プロファイルセンサ6,7とする。
The
プロファイルセンサ6,7は、図2に示すように、例えば、縦横7.6mm×7.6mmのLCCパッケージ14に収容されている。プロファイルセンサ6,7の中央部には、フォトダイオードとして機能する光感応領域10が形成されている。また、プロファイルセンサ6,7は、図3に示すように、光感応領域10の他に、第1信号処理回路20及び第2信号処理回路30を備えている。
As shown in FIG. 2, the
光感応領域10は、M行N列に2次元配列された複数の画素11mnを備えている。各画素11mnは、入射した光の強度に応じた電流を出力する光感応部分12mn(一方の光感応部分)及び光感応部分13mn(他方の光感応部分)を同一面内に隣接して備えている。
The
隣接する光感応部分12mn同士は、2次元配列におけるX方向(第1の方向、図3における縦方向)に配列された複数の画素1111〜111N,1121〜112N,…,11M1〜11MNにわたって、互いに電気的に接続されている。また、隣接する光感応部分13mn同士は、2次元配列におけるY方向(第2の方向、図3における横方向)に配列された複数の画素1111〜111N,1121〜112N,…,11M1〜11MNにわたって、互いに電気的に接続されている。このように、光感応部分12mn同士をX方向において電気的に接続し、光感応部分13mn同士をY方向において電気的に接続することで、X方向射影データと、Y方向射影データとをそれぞれ独立して得ることが可能となる。 Adjacent photosensitive portions 12 mn are a plurality of pixels 11 11 to 11 1N , 11 21 to 11 2N ,..., 11 arranged in the X direction (first direction, vertical direction in FIG. 3) in a two-dimensional array. M1 to 11 are electrically connected to each other over the MN . Adjacent photosensitive portions 13 mn are a plurality of pixels 11 11 to 11 1N , 11 21 to 11 2N ,... Arranged in the Y direction (second direction, horizontal direction in FIG. 3) in a two-dimensional array. , 11 M1 to 11 MN are electrically connected to each other. Thus, by electrically connecting the photosensitive portions 12 mn in the X direction and electrically connecting the photosensitive portions 13 mn in the Y direction, the X direction projection data and the Y direction projection data are obtained. Each can be obtained independently.
光感応領域10は、図4に示すように、P型(第1導電型)の半導体からなる半導体基板40と、当該半導体基板40の表層に形成されたN型(第2導電型)の半導体領域41,42とを備えている。半導体領域41は、上述した光感応部分12mnに対応するものであり、X方向に隣接する半導体領域41同士は、第1の配線44によって、互いに電気的に接続されている。また、半導体領域42は、上述した光感応部分13mnに対応するものであり、Y方向に隣接する半導体領域42同士は、第2の配線47によって、互いに電気的に接続されている。
As shown in FIG. 4, the
第1信号処理回路20は、図3に示すように、X方向に接続された光感応部分12mn(半導体領域41)と電気的に接続され、光感応領域10に入射した光のX方向における輝度プロファイルを示す信号(X方向射影データ)を演算部9に出力する。この第1信号処理回路20は、光感応部分12mnと電気的に接続されたスイッチ素子、光感応部分12mnからの電流を読み出すシフトレジスタ、シフトレジスタによって読み出された電流を電圧に変換して出力する積分回路などを備えている。
As shown in FIG. 3, the first
第2信号処理回路30は、図3に示すように、X方向に接続された光感応部分13mn(半導体領域42)と電気的に接続され、光感応領域10に入射した光のY方向における輝度プロファイルを示す信号(Y方向射影データ)を演算部9に出力する。この第1信号処理回路30は、光感応部分13mnと電気的に接続されたスイッチ素子、光感応部分13mnからの電流を読み出すシフトレジスタ、シフトレジスタによって読み出された電流を電圧に変換して出力する積分回路などを備えている。
As shown in FIG. 3, the second
演算部9は、第1のプロファイルセンサ6,第2のプロファイルセンサ7を駆動させる駆動信号発生回路(駆動信号発生手段)15、第1のプロファイルセンサ6,第2のプロファイルセンサ7から出力されたX方向射影データ、Y方向射影データに基づいて複数の輝点3〜5に対応する対応点の面内位置を演算する面内位置演算回路16、面内位置演算回路16で求められた対応点の面内位置に基づいて輝点3〜5の視差を演算してセンサ部8から対象物2までの距離を演算する3次元位置演算回路17を備えている。そして、演算部9は、第1のプロファイルセンサ6及び第2のプロファイルセンサ7と電気的に接続されている。面内位置演算回路16及び3次元位置演算回路17は、本発明の3次元位置演算手段として機能するものであり、センサ部8からの検出信号に基づいて、対象物2の3次元位置を演算する。
The
次に、複数の輝点3〜5に対応する対応点の面内位置の探索について、図5〜図9を参照して説明する。図5〜図9において、矩形の枠は、光感応領域10に対応するものであり、X方向に延びるデータX1〜X5は、第1信号処理回路20から出力されたX方向射影データであり、Y方向に延びるデータY1〜Y6は、第2信号処理回路30から出力されたY方向射影データである。各データX1〜X5,Y1〜Y6は、電圧値のピークを示すものであり略三角形状を成し、この三角形の面積の大きさが輝点の輝度値を示し、三角形の半値幅が輝点の形状を示している。
Next, searching for in-plane positions of corresponding points corresponding to a plurality of
まず、複数の輝点がX方向及びY方向において重なっていない場合における対応点の面内位置の探索について説明する。図5は、本発明の第1実施形態に係るプロファイルセンサによる検出信号の一例を示すものであり、複数の輝点がX方向及びY方向において重なっていない場合の図である。複数の輝点3〜5がX方向及びY方向において重なっていない場合には、図5に示すように、輝点3〜5の数量と同じ数量のピークがX方向及びY方向において検出され、X方向射影データX1〜X3、Y方向射影データY1〜Y3が取得される。
First, the search for the in-plane position of the corresponding point when a plurality of bright spots do not overlap in the X and Y directions will be described. FIG. 5 shows an example of a detection signal by the profile sensor according to the first embodiment of the present invention, and is a diagram when a plurality of bright spots do not overlap in the X direction and the Y direction. When the plurality of
図6は、図5に示す検出信号に基づいて推定される対応点の候補の面内位置を示す図である。図7は、図5に示す検出信号に基づいて求められた対応点の面内位置を示す図である。図6に示すように、X方向射影データX1〜X3が検出された位置からX方向に延びるラインL1〜L3上、Y方向射影データY1〜Y3が検出された位置からY方向に延びるラインL4〜L6上に、輝点3〜5に対応する対応点の存在を推定することができる。すなわち、ラインL1〜L6の交点Qを対応点の候補位置と推定することができる。各交点Qについて、X方向射影データX1〜X3の面積、半値幅と、Y方向射影データY1〜Y3の面積、半値幅とを比較して、値が大きく異なるものを順番に排除して、図7に示すように、対応点Pを求めることができる。
FIG. 6 is a diagram illustrating in-plane positions of corresponding point candidates estimated based on the detection signals illustrated in FIG. 5. FIG. 7 is a diagram showing the in-plane positions of corresponding points obtained based on the detection signals shown in FIG. As shown in FIG. 6, on the lines L 1 to L 3 extending in the X direction from the position where the X direction projection data X 1 to X 3 are detected, Y is determined from the position where the Y direction projection data Y 1 to Y 3 is detected. Presence of corresponding points corresponding to the
次に、複数の輝点の一部がX方向において重なっている場合における対応点の面内位置の探索について説明する。図8は、本発明の第1実施形態に係るプロファイルセンサによる検出信号の一例を示すものであり、複数の輝点の一部がX方向において重なっている場合の図である。複数の輝点3〜5がX方向において重なっている場合には、図8に示すように、輝点3〜5の数量より少ない数量のピークが検出され、X方向射影データX4,X5、Y方向射影データY4〜Y6が取得される。
Next, the search for the in-plane position of the corresponding point when some of the plurality of bright spots overlap in the X direction will be described. FIG. 8 shows an example of a detection signal by the profile sensor according to the first embodiment of the present invention, and is a diagram when a part of a plurality of bright spots overlap in the X direction. When a plurality of
図9は、図8に示す検出信号に基づいて推定される対応点の候補の面内位置を示す図である。図9に示すように、X方向射影データX4,X5が検出された位置からX方向に延びるラインL7,L8上、Y方向射影データY4〜Y6が検出された位置からY方向に延びるラインL9〜L11上に、輝点に対応する対応点の存在を推定することができる。すなわち、ラインL7〜L11の交点Qを対応点の候補位置と推定する。そして、各交点Qについて、X方向射影データX4,X5の面積、半値幅と、Y方向射影データY4〜Y6の面積、半値幅とを比較して、対応点を求めるが、X方向に輝点が重なった場合には、X方向射影データX4,X5の数量が少なくなってしまい、対応点の位置精度が低下することがある。 FIG. 9 is a diagram showing in-plane positions of corresponding point candidates estimated based on the detection signals shown in FIG. As shown in FIG. 9, Y is determined from the positions where the Y direction projection data Y 4 to Y 6 are detected on the lines L 7 and L 8 extending in the X direction from the position where the X direction projection data X 4 and X 5 are detected. Presence of corresponding points corresponding to the bright spots can be estimated on the lines L 9 to L 11 extending in the direction. That is, the intersection point Q of the lines L7 to L11 is estimated as a corresponding point candidate position. Then, for each intersection point Q, the area and half value width of the X direction projection data X 4 and X 5 are compared with the area and half value width of the Y direction projection data Y 4 to Y 6 , and the corresponding point is obtained. When bright spots overlap in the direction, the quantity of the X direction projection data X 4 and X 5 decreases, and the position accuracy of the corresponding points may decrease.
そこで、第1のプロファイルセンサ6及び第2のプロファイルセンサ7は、互いの軸(X方向、Y方向)が一致しないように配置されている。図10は、本発明の第1実施形態に係る第1のプロファイルセンサ及び第2のプロファイルセンサの配置を示す概略図である。第2のプロファイルセンサ7は、具体的には、図10に示すように、第1のプロファイルセンサ6に対して、角度θ分傾けられている。なお、ここでいう「互いの軸が一致しない」とは、第1のプロファイルセンサ6におけるX方向、Y方向と、第2のプロファイルセンサ7におけるX方向、Y方向とが平行ではないことをいう。すなわち、光感応部分12mn、光感応部分13mnの電気的接続方向が、第1のプロファイルセンサ6と第2のプロファイルセンサ7とでは、異なっている。これにより、第1のプロファイルセンサ6のX方向又はY方向に複数の輝点の一部が重なった場合であっても、第2のプロファイルセンサ7のX方向及びY方向に輝点の一部が重ならず、同様に、第2のプロファイルセンサ7のX方向又はY方向に複数の輝点の一部が重なった場合であっても、第1のプロファイルセンサ6のX方向及びY方向に輝点の一部が重ならないようにすることができる。
Therefore, the
なお、第1のプロファイルセンサ6に対する第2のプロファイルセンサ7の傾斜角θは、計測される輝点3〜5の大きさ(径)や配置(プロファイルセンサから輝点までの距離など)に基づいて設定される。例えば、輝点3〜5の大きさがプロファイルセンサ6,7における5画素に対応し、プロファイルセンサ6,7から輝点3〜5までの距離がプロファイルセンサ6,7における50画素に対応する場合、複数の輝点3〜5のうちの2つが、第1のプロファイルセンサ6においてX方向又はY方向で重なったときに、第2のプロファイルセンサにおいてX方向及びY方向で重ならないようにするには、傾斜角θ=tan−1(5/50)…(5)によって求めることができる。この場合、傾斜角θは約6度となる。
Note that the inclination angle θ of the
また、第1のプロファイルセンサ6に対して第2のプロファイルセンサ7を傾斜角θ分傾けた場合、第2のプロファイルセンサ7では、第1のプロファイルセンサ6に対して傾斜角θ分傾斜した位置として計測される。第2のプロファイルセンサ7における座標系(x2,y2)を、第1のプロファイルセンサ6における座標系(x1,y1)と対応させる場合、x1=x2cosθ+y2sinθ…(6)、y1=−x2sinθ+y2cosθ…(7)によって回転補正を行う。
Further, when the
次に、このような3次元位置計測装置1を用いて実行される3次元位置計測方法について説明する。先ず、複数の輝点3〜5を有する対象物2に対して所定の位置に、プロファイルセンサ6,7を配置する。第2のプロファイルセンサ7は、第1のプロファイルセンサ6に対して傾斜角θを成すように傾けて配置する。すなわち、第1のプロファイルセンサ6と第2のプロファイルセンサ7との軸が重ならないようにすることで、光感応部分の電気的接続方向が、第1のプロファイルセンサ6と第2のプロファイルセンサとで一致しないようにしている。そして、演算部9をプロファイルセンサ6,7と各々電気的に接続して、各プロファイルセンサ6,7からの検出信号の入力を可能とする。
Next, a three-dimensional position measurement method executed using such a three-dimensional
次に、演算部9の駆動信号発生回路15は、駆動信号を送信して、プロファイルセンサ6,7を駆動する。プロファイルセンサ6,7は、対象物2に設けられた複数の輝点3〜5からの光を検出して、演算部9の面内位置演算回路16に、検出信号(射影データ、特にX方向射影データとY方向射影データとで区別する必要がないときは、射影データと記載する。)を送信する。送信された射影データは、面内位置演算回路16、3次元位置演算回路17によって演算処理される。
Next, the drive
次に、面内位置演算回路16及び3次元位置演算回路17で実行される演算処理について図11のフローチャートに沿って説明する。図11は、本発明の第1実施形態に係る面内位置演算回路16及び3次元位置演算回路17で実行される演算処理の動作手順を示すフローチャートである。面内位置演算回路16では、先ず、各プロファイルセンサ6,7からの射影データを入力する(S1)。
Next, calculation processing executed by the in-plane
次に、面内位置演算回路16は、各プロファイルセンサ6,7から入力された射影データに基づいて、複数の輝点3〜5に対応する対応点の面内位置を求める(S2)。具体的には、X方向射影データのピーク面積、ピーク半値幅と、Y方向射影データのピーク面積、ピーク半値幅とを比較して、対応点の面内位置を求める。ここで、第1のプロファイルセンサ6におけるX方向、Y方向に複数の輝点が重なっている場合には、第2のプロファイルセンサ7によって検出された射影データに基づいて、対応点の面内位置を正確に求める一方、第2のプロファイルセンサ7におけるX方向、Y方向に複数の輝点が重なっている場合には、第1のプロファイルセンサ6によって検出された射影データに基づいて、対応点の面内位置を求める。以下、第1プロファイルセンサ6によって取得された射影データに基づいて求められた対応点を「第1のプロファイルセンサによる対応点」といい、同様に、第2プロファイルセンサ7によって取得された射影データに基づいて求められた対応点を「第2のプロファイルセンサによる対応点」という。また、面内位置演算回路16は、上記式x1=x2cosθ+y2sinθ…(6)、y1=−x2sinθ+y2cosθ…(7)を用いて回転補正を行い、第2のプロファイルセンサによる対応点を、第2のプロファイルセンサにおける座標系(x2,y2)から第1のプロファイルセンサにおける座標系(x1,y1)に変換する。
Next, the in-plane
次に、3次元位置演算回路17は、面内位置演算回路16によって求められた各対応点の面内位置に基づいて、第1のプロファイルセンサ6による対応点と第2のプロファイルセンサによる対応点との視差を求める。3次元位置演算回路17は、対応点の視差に基づいて、複数の輝点までの距離を算出して、対象物2の3次元位置を求める(S3)。そして、3次元位置演算回路17は、対象物2の3次元位置を結果として出力する(S4)。
Next, based on the in-plane position of each corresponding point obtained by the in-plane
次に、複数の輝点の一部が第1のプロファイルセンサ6のX方向に重なった場合について、図12を参照して説明する。図12は、複数の輝点の一部が第1のプロファイルセンサのX方向に重なった場合の検出信号の一例を示すものであり、左側に第1のプロファイルセンサによる検出信号の一例、右側に第2のプロファイルセンサによる検出信号の一例を示す図である。図12に示すように、第1のプロファイルセンサ6では、X方向射影データX11,X12、Y方向射影データY11〜Y13が取得され、第2のプロファイルセンサ7では、X方向射影データX21〜X23、Y方向射影データY21〜Y23が取得されている。
Next, a case where some of the plurality of bright spots overlap in the X direction of the
複数の輝点が第1のプロファイルセンサ6にけるX方向に重なった場合には、第1のプロファイルセンサ6では、上述したようにX方向射影データX11,X12が少なくなるため、第1のプロファイルセンサ6に対して傾けて配置された第2のプロファイルセンサ7によって取得されたX方向射影データX21〜X23及びY方向射影データを用いて、対応点の面内位置を求める。
When a plurality of bright spots overlap with each other in the X direction in the
面内位置演算回路16は、ピーク面積及びピーク半値幅を比較して、X方向射影データとY方向射影データとの対応付けを行う。図12に示すデータでは、X方向射影データX21とY方向射影データY23、X方向射影データX22とY方向射影データY21、X方向射影データX23とY方向射影データY22が対応している。次に、面内位置演算回路16は、第2のプロファイルセンサ7の座標系における対応点P23〜P25の面内位置を演算する。次に、面内位置演算回路16は、回転補正を行って、各対応点P23〜P25を第1のプロファイルセンサ6における座標系に変換する。
The in-plane
3次元位置演算回路17は、第1のプロファイルセンサ6の座標系に変換された対応点P23〜P25の座標を参照して、対応点P13と対応点P23とが対応し、対応点P14と対応点P24とが対応し、対応点P15と対応点P25とが対応していると判定する。3次元位置演算回路17は、各対応点P13〜P15,P23〜P25の視差を算出して、対象物2の3次元位置を求める。
The three-dimensional
このようなセンサ部8、3次元位置計測装置1及び3次元位置計測方法では、互いの軸(X方向、Y方向)が一致しないように、第2のプロファイルセンサ7を、第1のプロファイルセンサ6に対して傾けて配置している。これにより、複数の輝点が一方のプロファイルセンサのX方向又はY方向に重なった場合であっても、他方のプロファイルセンサのX方向及びY方向に、複数の輝点が重ならないため、他方のプロファイルセンサによって、各輝点の正確な位置情報を取得することができる。その結果、位置計測精度の向上を図ることができる。
In the
また、一方の光感応部分12mn同士がX方向に配列された複数の画素11mnにわたって電気的に接続され、他方の光感応部分13mn同士がY方向に配列された複数の画素11mnにわたって電気的に接続されているため、X方向射影データとY方向射影データとをそれぞれ独立して得ることが可能とされている。従って、後段の画像処理を簡素化することができ、対象物2の3次元位置計測の高速化を図ることが可能となる。また、装置の小型化を図ることができる。 Also, one photosensitive portion 12 mn is electrically connected across a plurality of pixels 11 mn arranged in the X direction, and the other photosensitive portion 13 mn is extended across a plurality of pixels 11 mn arranged in the Y direction. Since they are electrically connected, X-direction projection data and Y-direction projection data can be obtained independently of each other. Therefore, the subsequent image processing can be simplified, and the three-dimensional position measurement of the object 2 can be speeded up. In addition, the apparatus can be reduced in size.
次に、本発明の第2実施形態に係る位置計測センサについて、図13を参照しながら説明する。図13は、本発明の第2実施形態に係る位置計測センサを備えた位置計測装置の概略構成図である。この第2実施形態の位置計測装置21が第1実施形態の位置計測装置1と違う点は、センサ部8に代えて、センサ部(位置計測センサ)28を備える点であり、センサ部28は、一つの結像光学系の焦点位置Fに対して、第1のプロファイルセンサ26及び第2のプロファイルセンサ27を配置している。
Next, a position measurement sensor according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a schematic configuration diagram of a position measuring device including a position measuring sensor according to the second embodiment of the present invention. The
センサ部28は、プロファイルセンサ26,27の他に、複数の輝点3〜5からの光が入射されるレンズ22と、レンズ22の背面側に配置され、光を透過させると共に反射させるハーフミラー23とを備えている。
In addition to the
第1のプロファイルセンサ26は、ハーフミラー23によって反射された光を検出可能な位置に配置され、第2のプロファイルセンサ27は、ハーフミラー23を透過した光を検出可能な位置に配置されている。そして、第2のプロファイルセンサ27は、第1のプロファイルセンサ6に対して軸(X方向、Y方向)が一致しないように、傾けられて配置されている。このため、複数の輝点が一方のプロファイルセンサのX方向又はY方向に重なった場合であっても、他方のプロファイルセンサのX方向及びY方向に、複数の輝点が重ならないため、他方のプロファイルセンサによって、各輝点の正確な位置情報を取得することができる。その結果、位置計測精度の向上を図ることができる。
The
また、センサ部28では、一つの結像光学系の焦点位置Fに対して、第1のプロファイルセンサ26及び第2のプロファイルセンサ27を配置しているため、装置の小型化が図られている。
Further, in the
以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態において、位置計測装置1,21は、プロファイルセンサを2つ備える構成としているが、3つ以上のプロファイルセンサを備える構成としてもよい。
As mentioned above, although this invention was concretely demonstrated based on the embodiment, this invention is not limited to the said embodiment. In the above embodiment, the
1…3次元位置計測装置、2…対象物、3〜5…輝点、6,26…第1のプロファイルセンサ、7,27…第2のプロファイルセンサ、8,28…センサ部(位置計測センサ)、10…光感応領域、11mn…画素、12mn…一方の光感応部分、13mn…他方の光感応部分、15…駆動信号発生回路(駆動信号発生手段)、16…面内位置演算回路(3次元位置演算手段)、17…3次元位置演算回路(3次元位置演算手段)、21…位置計測装置。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
画素が2次元配列された光感応領域を有する第1のプロファイルセンサ及び第2のプロファイルセンサを備え、
前記画素は、各々入射した光の強度に応じた電流を出力する複数の光感応部分が同一面内に隣接して配設され、
前記2次元配列における第1の方向に配列された複数の前記画素にわたり、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち一方の光感応部分同士が電気的に接続され、
前記2次元配列における第2の方向に配列された複数の前記画素にわたり、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち他方の光感応部分同士が電気的に接続され、
前記第1のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向と、前記第2のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向とが一致していないことを特徴とする位置計測センサ。 A position measurement sensor that detects light from a plurality of bright spots provided on an object,
A first profile sensor and a second profile sensor having a photosensitive region in which pixels are two-dimensionally arranged;
In the pixel, a plurality of photosensitive portions that output a current corresponding to the intensity of incident light are disposed adjacent to each other in the same plane,
Over the plurality of pixels arranged in the first direction in the two-dimensional array, one of the plurality of photosensitive parts constituting each pixel is electrically connected,
Over the plurality of pixels arranged in the second direction in the two-dimensional array, the other photosensitive parts among the plurality of photosensitive parts constituting each pixel are electrically connected,
The position measuring sensor, wherein an electrical connection direction between the photosensitive portions in the first profile sensor does not match an electrical connection direction between the photosensitive portions in the second profile sensor.
前記位置計測センサを駆動させるための駆動信号を出力する駆動信号発生手段と、
前記位置計測センサからの検出信号に基づいて、前記対象物の3次元位置を演算する3次元位置演算手段と、を具備し、
前記位置計測センサは、
画素が2次元配列された光感応領域を有する第1のプロファイルセンサ及び第2のプロファイルセンサを備え、
前記画素は、各々入射した光の強度に応じた電流を出力する複数の光感応部分が同一面内に隣接して配設され、
前記2次元配列における第1の方向に配列された複数の前記画素にわたり、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち一方の光感応部分同士が電気的に接続され、
前記2次元配列における第2の方向に配列された複数の前記画素にわたり、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち他方の光感応部分同士が電気的に接続され、
前記第1のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向と、前記第2のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向とが一致していないことを特徴とする3次元位置計測装置。 A position measurement sensor for detecting light from a plurality of bright spots provided on an object;
Drive signal generating means for outputting a drive signal for driving the position measurement sensor;
Three-dimensional position calculation means for calculating a three-dimensional position of the object based on a detection signal from the position measurement sensor,
The position measuring sensor is
A first profile sensor and a second profile sensor having a photosensitive region in which pixels are two-dimensionally arranged;
In the pixel, a plurality of photosensitive portions that output a current corresponding to the intensity of incident light are disposed adjacent to each other in the same plane,
Over the plurality of pixels arranged in the first direction in the two-dimensional array, one of the plurality of photosensitive parts constituting each pixel is electrically connected,
Over the plurality of pixels arranged in the second direction in the two-dimensional array, the other photosensitive parts among the plurality of photosensitive parts constituting each pixel are electrically connected,
A three-dimensional position measurement apparatus, wherein an electrical connection direction between the photosensitive portions in the first profile sensor does not match an electrical connection direction between the photosensitive portions in the second profile sensor. .
前記位置計測センサは、
画素が2次元配列された光感応領域を有する第1のプロファイルセンサ及び第2のプロファイルセンサを備え、
前記画素は、各々入射した光の強度に応じた電流を出力する複数の光感応部分が同一面内に隣接して配設され、
前記2次元配列における第1の方向に配列された複数の前記画素にわたり、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち一方の光感応部分同士が電気的に接続され、
前記2次元配列における第2の方向に配列された複数の前記画素にわたり、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち他方の光感応部分同士が電気的に接続され、
前記第1のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向と、前記第2のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向とが一致しないように、前記第2のプロファイルセンサを、前記第1のプロファイルセンサに対して傾けて配置することを特徴とする3次元位置計測方法。 A three-dimensional position measurement method for measuring a three-dimensional position of the object using a position measurement sensor that detects light from a plurality of bright spots provided on the object,
The position measuring sensor is
A first profile sensor and a second profile sensor having a photosensitive region in which pixels are two-dimensionally arranged;
In the pixel, a plurality of photosensitive portions that output a current corresponding to the intensity of incident light are disposed adjacent to each other in the same plane,
Over the plurality of pixels arranged in the first direction in the two-dimensional array, one of the plurality of photosensitive parts constituting each pixel is electrically connected,
Over the plurality of pixels arranged in the second direction in the two-dimensional array, the other photosensitive parts among the plurality of photosensitive parts constituting each pixel are electrically connected,
In order that the electrical connection direction of the photosensitive parts in the first profile sensor does not match the electrical connection direction of the photosensitive parts in the second profile sensor, the second profile sensor is A three-dimensional position measuring method, wherein the three-dimensional position measuring method is arranged to be inclined with respect to the first profile sensor.
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