JP7346363B2 - 単眼撮像装置による三次元座標測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、数値制御工作機械における画像認識を利用した三次元座標測定方法に関する。

従来から非接触の測距装置として、カメラを用いた画像認識により測定対象物との間の距離を測定するため、ステレオカメラによって撮像したステレオ画像によって測距を行う装置が存在する。
これに対し、移動体に取り付けられたカメラを使用し、被測定対象物の位置がずれた視差画像を撮影し、三角測量の原理によって測定物の三次元形状を測定する装置も知られており、この方式の１つに移動ステレオ方式がある。
移動ステレオ方式とは、一つのカメラで異なる位置で物体を撮影し、外部から与えられるその間のカメラの移動量を用いて、映像に映っている物体の三次元位置を、映像内の特徴点の視差から三角測量で算出するものである。
例えば、特許文献１では、移動ステレオ方式において、計測誤差を一定にするために、自動車車両が一定量移動を行ったことを検出した上で撮像を行い、障害物との距離を計測する画像処理装置を開示している。
特許文献２では、一定の計測精度を確保するために、後に撮像された画像フレームから抽出された特徴点位置が、先に撮像された画像フレームから抽出された特徴点位置から所定距離（視差）を満たさなかった場合は抽出結果から除外する三次元座標測定装置を開示している。

特開２００９－１８０５３６号公報 特許第５９１５１３０号公報

工作機械などでワークを加工する場合には、加工段階、加工部位に応じて要求される精度や測定範囲が異なる。これまでのステレオカメラによる三次元座標測定装置では、カメラ間の距離が固定であるため、測定可能な精度の範囲がカメラ間距離に応じて限定され、ワークとの距離を変えずに測定精度を変更する場合には、焦点距離の異なるレンズに手作業で交換する必要があった。
特許文献１及び特許文献２に示される装置では、一定の精度を保つ装置を示しているが、要求される精度に応じて精度を変更する方法は示していない。

そこで、本発明は、ワークの各部で要求される精度の測定を一種類のレンズで実施することができる三次元座標測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、工作機械の主軸に取り付けられた単眼撮像装置で撮像された画像を用いて所定の測定対象物までの距離及び前記測定対象物の位置を測定する三次元座標測定方法であって、
前記測定対象物における複数の測定対象点のおおよその位置座標と測定に係る要求精度とを入力する入力段階と、
入力された前記位置座標と前記要求精度と、予め設定した前記単眼撮像装置のレンズ主点と撮像素子との距離の範囲とから、各前記測定対象点の撮像位置と撮像高さとを算出して設定する設定段階と、
最初に撮像する前記測定対象点から最後に撮像する前記測定対象点まで、前記設定段階で設定された撮像位置と撮像高さとに前記主軸を移動させて前記単眼撮像装置で各前記測定対象点の撮像を行う測定段階と、
各前記測定対象点が撮像された画像の内、撮像された前記測定対象点が前記画像内で前記要求精度を満たす測定が可能な距離だけ離れた画像２枚を選択し、三角測量により前記単眼撮像装置と前記測定対象点までの垂直方向距離を算出する距離算出段階と
を実行することを特徴とする。
本発明の別の態様は、上記構成において、前記入力段階では、
前記測定対象物の全体を撮像するように少なくとも２か所以上の位置で複数枚の画像を前記単眼撮像装置により撮像し、前記測定対象物の特徴点の前記複数枚の画像から三角測量により演算を行い、前記測定対象物のおおよその形状位置を取得する形状把握段階を実行し、
前記形状把握段階で得られた前記形状位置を用いて前記測定対象点のおおよその位置座標と要求精度との入力を行うことを特徴とする。
本発明の別の態様は、上記構成において、前記距離算出段階では、
前記測定対象点が撮像された画像の内、前記画像上の前記測定対象点の像の距離間隔が最も長いもの２枚を選択することを特徴とする。
本発明の別の態様は、上記構成において、前記設定段階では、
前記撮像高さと、前記測定対象点の位置座標とから、前記測定対象点の像の距離間隔が最も長い２枚の画像の撮像が可能な予想位置を算出し、前記予想位置を撮像位置として設定することを特徴とする。
本発明の別の態様は、上記構成において、前記設定段階では、
前記撮像位置の設定において、前記撮像位置へ前記単眼撮像装置が向かう手前にアンダートラベル距離を、前記単眼撮像装置が向かう前記撮像位置から先へオーバートラベル距離をそれぞれ設定し、
前記アンダートラベル距離及び前記オーバートラベル距離内では複数箇所の任意の撮像位置を設定することを特徴とする。
本発明の別の態様は、上記構成において、前記設定段階では、
前記測定対象点の中から基準点を選択し、
前記基準点を測定する際の前記単眼撮像装置の撮像高さを算出する第１の段階と、
前記基準点と異なる前記測定対象点について、前記単眼撮像装置内のレンズ主点位置を、前記基準点を測定する際と同じにした状態において測定する際の前記単眼撮像装置の撮像高さを算出する第２の段階と、
前記撮像高さを算出した測定対象点と前記基準点とのいずれかを新たな基準点として前記第１の段階を実行した上で、測定を行っていない測定対象点について前記第２の段階を実行する第３の段階とを、
全ての前記測定対象点に対して実行することで前記単眼撮像装置の測定経路を決定することを特徴とする。
本発明の別の態様は、上記構成において、前記単眼撮像装置は、光学カメラであることを特徴とする。
本発明の別の態様は、上記構成において、前記設定段階では、
前記単眼撮像装置の測定経路と、前記撮像を行う間隔とから全ての前記測定対象点を測定するのに要する時間を算出し、算出した時間を報知することを特徴とする。

本発明によれば、ワークの各部で要求された精度の測定を、一種類のレンズで測定することが可能となる。また、別の態様によれば、測定にかかる時間も予想が可能なため、ワークの測定を効率よく行うことが可能となる。

マシニングセンタの模式図である。 単眼撮像装置及びワークの模式図である。 マシニングセンタにおける三次元座標測定装置の構成図である。 単眼撮像装置による三次元座標測定方法のフローチャートである。 単眼撮像装置による１つの測定対象点の測定の概略図である。 単眼撮像装置が移動した場合の測定の概略図である。 アンダートラベル位置から測定対象点の撮像位置座標を検出する測定の概略図である。 単眼撮像装置による段差のあるワーク上の複数の測定対象点の測定の概略図である。 単眼撮像装置による高さが異なる測定対象点の測定経路の一例である。 単眼撮像装置による高さが異なる測定対象点の測定経路の一例である。 単眼撮像装置による高さが異なる測定対象点の測定経路の一例である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、工作機械の一形態であり、３つの互いに直交する並進軸を有するマシニングセンタ２０の模式図である。主軸頭２２は、コラム２４の前面でＸ軸方向へ移動可能に設けられたサドル２５に固定されて、下向きに主軸２２ａを備えている。主軸頭２２は、並進軸であり互いに直交するＸ軸、Ｚ軸によってベッド２１に対して並進２自由度の運動が可能である。テーブル２３は、並進軸でありＸ軸およびＺ軸に直交するＹ軸によりベッド２１に対して並進１自由度の運動が可能である。したがって、主軸頭２２は、テーブル２３に対して並進３自由度の運動が可能である。ＸＹＺ軸の動作は図に示していない数値制御装置により制御されるサーボモータ駆動により実行され、工作物をテーブル２３に固定し、主軸頭２２の主軸２２ａに工具を装着して回転させ、工作物と工具の相対位置および相対姿勢を制御することで、工作物の加工を行う。
なお、本発明に関わる機械としては、軸数は３軸に限らず、並進軸のみ３軸、４軸、５軸でもよい。さらにまた、回転軸によりテーブル２３や主軸頭２２が回転１自由度以上を持つ機構でもよい。

図２に示すように、本発明に用いる単眼撮像装置（以下「撮像装置」という。）１は、光学カメラで、主軸頭２２の主軸２２ａに取り付けることができ、テーブル２３上の測定対象物であるワーク２の一部または全体を撮像する。
図３は、本発明を適用した測定対象点の三次元座標測定方法を実施する三次元座標測定装置の一実施の形態の構成例を示している。
三次元座標測定装置は、モニター５１と、演算部５２とを備える。モニター５１には、３Ｄモデルデータと、要求精度・測定条件との入力が可能となっている。演算部５２は、入力された３Ｄモデルデータと、モニター５１を介して得られる要求精度・測定条件とから、測定経路・撮像間隔・測定時間を算出する。
送り軸制御部５３は、演算部５２で算出された測定経路に従い、ＸＹＺ軸の送り軸制御を行う。これによって、主軸頭２２に取り付けられた撮像装置１が、ワーク２を撮像する測定経路を移動する。移動検出部５４は、送り軸制御部５３からの情報に基づいて撮像装置１の移動量や座標を検出し、画像取得部５５は、移動検出部５４から撮像装置１の移動量及び座標を得ると共に、撮像装置１から画像を得る。測定対象点検出部５６は、画像取得部５５から得た移動量及び座標、画像から測定対象点を検出する。送り軸制御部５３は、測定対象点となる次の撮像位置までＸＹＺ軸の制御を行う。測定対象点位置座標演算部５７は、測定対象点検出部５６から得られた情報から測定対象点の位置座標を算出する。結果出力部５８は、結果処理を行い、得られた結果をモニター５１に表示する。

図４は、本発明の三次元座標測定方法のフローチャートを示す。
ステップ（以下「Ｓ」と表記する。）１において、ワーク２のＣＡＤデータを読み込むか否かを選択する。
Ｓ２において、ＣＡＤデータを使用する場合はＣＡＤデータを読み込む。
Ｓ３において、撮像装置１でワーク２全体の形状を撮像して、公知の技術、例えばエッジ検出によってＣＡＤデータと比較し、Ｓ５で、ワーク２のおおよその位置座標を取得する。
Ｓ２でＣＡＤデータを使用しない場合は、Ｓ４において、撮像装置１をワーク２から離して視野を大きくとり、ワーク２全体のおおよその形状を移動ステレオ方式によって撮像する。

例えば、図５のように、撮像位置座標１Ａに、凸レンズ１１及び撮像素子１２を備えた撮像装置１があるとき、特徴点となる測定対象点７Ａの像は、撮像素子１２上に像６ｐとして結像される。４は凸レンズ主点、５は焦点、３は凸レンズ主点４に入る測定対象点Ａからの光軸である。
図６のように、撮像位置座標１Ａから距離Ｌだけ水平方向に撮像装置１を撮像位置座標３Ａに移動させる。このときに測定対象点７Ａが凸レンズ１１を通して撮像素子１２上に像６ｑとして撮像される。この撮像素子１２上の像６ｐと像６ｑとの距離を視差Ｓとする。視差Ｓは、撮像位置座標１Ａで撮像した画像と撮像位置座標３Ａで撮像した画像とから求める。
このとき、凸レンズ主点４と撮像素子１２との間の距離をｂとすると、測定対象点７Ａと凸レンズ主点４とのＺ軸方向の距離Ｈは次式（１）のように求まる。

凸レンズ１１の位置を進退させて測定対象に合わせてピントを調整できるカメラを使用し、凸レンズ主点４と撮像素子１２との間の距離ｂを可変としてもよい。ただし、同一の測定対象点の測定及び２点の測定対象点の位置関係を測定する場合、凸レンズ１１は動かさず距離ｂは固定する。
また、撮像位置座標１Ａと測定対象点７Ａとの水平方向の距離Ｘ_Ａも、撮像位置座標１Ａでの撮像素子１２上の中心から像６ｐとの間の水平方向の距離Ｘ_１Ａを用いて次式（２）のように表せる。

Ｓ５において、式（１）から測定対象点７Ａと凸レンズ主点４とのＺ軸方向の距離Ｈ、式（２）から撮像位置座標１Ａと測定対象点７Ａとの距離Ｘ_Ａをそれぞれ算出し、測定対象点７Ａの位置座標を求め、ワーク２のおおよその形状位置を示す位置座標として取得する（Ｓ１～Ｓ５：形状把握段階）。
Ｓ６において、取得した位置座標から３Ｄモデルが生成され、これを使用して測定箇所、測定点数、要求精度を入力していく（Ｓ６：入力段階）。
Ｓ７において、凸レンズ１１の焦点距離に依存する凸レンズ主点４と撮像素子１２との間の距離ｂ、入力された高さ方向、水平方向の寸法の要求精度から、要求精度を満たす測定を行うのに必要な撮像装置１と各測定対象点との距離Ｈと被写界深度とを求め、各測定対象点において必要な測定を行う撮像高さを求める。

例えば、移動ステレオ方式により、カメラ角度を変更せずに移動させ、物体上のある測定対象点までの距離を計測した場合の距離誤差（物体までの距離の計測誤差）ΔＨは次式（３）で表される。

式（３）において、ΔＬは移動体の位置決め誤差、ΔＳは視差誤差である。工作機械の主軸２２ａに撮像装置１を取り付ける場合、第一項は第二項に比べ十分小さいため、式（３）の第一項は無視できる。
式（３）が示すことは、図６における撮像装置１と測定対象点７Ａとの距離Ｈ、視差Ｓで精度が求まるということである。精度を高くする場合は、視差Ｓを最大とする測定が望ましい。
水平方向の位置測定において、図６における撮像素子１２内の測定対象点７Ａの像６ｐの観測誤差Δｘを用いて、測定対象点７Ａと撮像装置１との水平方向の距離Ｘ_Ａの誤差ΔＸ_Ａは次式（４）で表される。

式（４）が示すことは、測定対象点７Ａの像６ｐを画像中心にくるように撮像、つまり図６の撮像位置座標２Ａで撮像し、その撮像位置を測定対象点７Ａの位置座標とする測定方法によって、精度は測定対象点７Ａと撮像装置１との距離Ｈによって決まるということである。
式（３）から視差Ｓのばらつき精度δＳ、測定対象点７Ａまでの距離Ｈのばらつき精度δＨを用いて、垂直方向の距離精度を満たす測定対象点７Ａから凸レンズ主点４までのＺ軸方向の距離Ｈは次式（５）のようになる。

また、凸レンズ主点４からの被写体距離をｈとして、前方被写界深度Ｄ_ｎは次式（６）、後方被写界深度Ｄ_ｆは次式（７）、被写体距離ｈは次式（８）で示される。

ｆは凸レンズ１１の焦点距離、ＦはＦ値（焦点距離と凸レンズ有効口径との比）、ｄｘは１画素分の撮像素子１２の長さであり、ピントが合った状態での視差Ｓのばらつき精度δＳと同等である。凸レンズ主点４と測定対象点７Ａとの距離Ｈは、次式（９）の範囲にある必要がある。

凸レンズ主点４からｈ－Ｄｎの距離にある位置を被写界近点、ｈ＋Ｄｎの距離にある位置を被写界遠点と呼び、式（９）は、測定対象点７Ａが被写界近点と被写界遠点との間にあることを示す。
式（４）から、測定対象点７Ａと撮像装置１との水平方向の距離のばらつき精度δ_ＸＡは、撮像素子１２内の測定対象点７Ａの像６ｐのばらつき精度をδｘとして、次式（１０）のように表される。

式（１０）は、撮像装置１と測定対象点７Ａとの距離Ｈの関数であり、要求されたばらつき精度δ_ＸＡを満たす撮像装置１と測定対象点７Ａとの距離Ｈも求めることができる。
式（５）、及び式（１０）によって算出される撮像装置１の撮像高さの内、水平方向と垂直方向の要求精度を両方満たし、測定対象点７Ａが式（９）に示す被写界近点と被写界遠点との間に入るものを、Ｓ７で測定を行う撮像装置１の撮像高さとする。

Ｓ８において、算出された撮像高さと被写界深度で高さの異なる他の測定対象点が測定可能かをチェックし、図９、図１０に点線で示すように測定経路３３を選択する。３４は各測定対象点からの撮像高さである。各測定対象点について視差が最大となる撮像開始位置、撮像終了位置を求め、図８に示すように撮像を行う間隔を決める。
また、図７に示すように、各撮像位置へ向かう手前にアンダートラベル位置、各撮像位置の先にオーバートラベル位置をそれぞれ設定し、アンダートラベル位置１”Ａから撮像位置座標１Ａまで、測定対象点を見つけるための撮像を行う撮像間隔も求める。また求めた測定経路、撮像間隔、予め設定された主軸移動速度や撮像時間から測定にかかる時間を算出する。測定時間はモニター５１等で報知する。

例えば、図７では、測定対象点７Ａを撮像素子１２内に撮像する際に、撮像される予想位置１’Ａよりも手前にアンダートラベル位置１”Ａを設定し、予想位置１’Ａより先に、撮像位置座標１Ａを越えるオーバートラベル量を設定している。測定対象点７Ａが撮像素子１２内の端に撮像される撮像位置座標１Ａを探索する際の経路３２は、点線矢印で示すアンダートラベル位置１”Ａから予想位置１’Ａまでのアンダートラベル距離と、点線矢印で示す予想位置１’Ａから撮像位置座標１Ａを越えた先へのオーバートラベル距離とを含んでいる。
図７において、点線で示す撮像素子１３は、測定対象点７Ａが撮像素子１２に結合される前の位置である。点線で示す８は、測定対象点７Ａが撮像素子１３に結合される前の測定対象点７Ａからの光軸である。４１は、アンダートラベル位置１”Ａでの凸レンズ主点、４２は、予想位置１’Ａでの凸レンズ主点である。
１画素分の撮像素子１２の長さｄｘを用いて、１画素に撮像されるワーク２の長さｄＸは、次式（１１）の通りである。

アンダートラベル及びオーバートラベルを行う際には、式（１１）で得られるｄＸの間隔で移動と撮像とを行うことで、図７における測定対象点７Ａが撮像可能な始端点位置を正確に測定できる。撮像素子１２から測定対象点７Ａの像が外れる予想位置の手前にもアンダートラベル、予想位置の先にオーバートラベルを行うことで測定対象点７Ａが撮像可能な終端点位置を正確に測定でき、両端点で撮像した画像上での測定対象点７Ａの視差Ｓを最大にする。
但し、式（１１）に示されるアンダートラベル及びオーバートラベル時の撮像間隔は、測定対象点７Ａと凸レンズ主点４１とのＺ軸方向の距離Ｈに依存し、精度高く測定を行う場合は撮像距離間隔が短くなるために測定に時間がかかる。

Ｓ９において、Ｓ８で求めた測定条件での測定が可能かどうかを判断し、測定が不可能であれば再度Ｓ６のステップに戻る（Ｓ７～Ｓ９：設定段階）。
Ｓ９で測定可能と判断されれば、Ｓ１０で、Ｓ８で求めた、最初の撮像開始位置もしくは最初の撮像開始位置のアンダートラベル位置へ送り軸を制御し、撮像装置１を移動させる。
Ｓ１１において、Ｓ８で求めた測定経路、撮像間隔及び撮像位置に従って送り軸を制御し、撮像装置１での撮像を行っていく（Ｓ１０，Ｓ１１：測定段階）。
Ｓ１２において、撮像を行った画像の内、ある測定対象点について視差が最大となる画像を二枚選択し、その画像を撮影した撮像装置１の位置から、撮像装置１と測定対象点との垂直距離を式（１）から求める（Ｓ１２：距離算出段階）。また、測定対象点の水平位置座標を求める場合は、該測定対象点が画像の中心にある画像を撮像した位置から求める。
Ｓ１３において、二点目以降の測定対象点の測定であるかを確認する。
Ｓ１４において、二点目以降の測定対象点の測定であれば、前回の測定対象点との距離や相対的な位置関係を求める。
Ｓ１５において、全ての測定対象点の測定が終了するまでＳ１１からＳ１４までを繰り返す。
Ｓ１６において、全ての測定対象点の測定が終了した場合、測定対象点の寸法や高さ（表面粗さ）分布をマッピングする。

図８は、段差のあるワーク９の測定対象点７Ａ’，７Ｂ’，７Ｃ’，７Ｄ’の高さ方向の位置を測定する際、撮像装置１の撮像高さを変えずに測定する動きの一例を示す。ワーク９内の測定対象点の内、最も低い点は測定対象点７Ａ’と測定対象点７Ｂ’である。また、測定対象点７Ｂ’については段差の影響で撮像素子１２全体を使った視差Ｓはとれない。しかし、撮像素子１２の長さの半分以上の視差Ｓは取れる。そのため、図６のＳ６で入力された要求精度を測定対象点７Ｂ’においても満たす必要があるのであれば、予測される視差Ｓから測定対象点７Ｂ’を要求精度で測定するように、測定対象点７Ａ’と撮像装置１との垂直方向距離Ｈ_Ａ’を設定する。測定対象点７Ｂ’からＨ_Ａ’だけ垂直方向に離した位置から測定する場合に、高さの異なる他の測定対象点７Ｃ’及び７Ｄ’も被写界近点と被写界遠点との間にあり、測れるようであれば、凸レンズ１１を進退させずに測定対象点７Ｂ’と同じ撮像高さから測定を行う。垂直方向及び水平方向の測定を行う場合、撮像素子１２の両端点と中心に測定対象点を結像させるため、撮像位置は図８の１Ａ’→２Ａ’→１Ｂ’→３Ａ’→２Ｂ’→１Ｃ’→３Ｂ’→２Ｃ’→１Ｄ’→３Ｃ’→２Ｄ’→３Ｄ’となる。

図９は、段差のあるワーク２の測定対象点７Ａ”,７Ｂ”,７Ｃ”,７Ｄ”がいずれも被写界近点と被写界遠点との間にある場合に位置座標を測定する際、撮像装置１の撮像高さを変えずに測定する動きの一例を示す。このとき、撮像装置１の撮像高さは、ワーク２内の測定対象点の内、最も低い位置の測定対象点７Ａ”の要求精度に合わせたものとなる。

図１０は、段差のあるワーク２の測定対象点７Ａ”，７Ｂ”，７Ｃ”，７Ｄ”の位置座標を測定する際、測定対象点２点で撮像装置１の撮像高さを同じにし、測定結果を加算して測定対象点７Ａ”～７Ｄ”の高さを測定する動きの一例を示す。２段分の段差が被写界近点と被写界遠点の間から外れるほど大きく、図９に示す方法で、測定対象点の内最も低い位置の測定対象点７Ａ”の要求精度に合わせた撮像装置１の撮像高さでは、式（９）に示す被写界近点と被写界遠点の間で測定対象点７Ｃ”, ７Ｄ”を測定できない場合は、測定可能な測定対象点７Ａ”及び７Ｂ”の２点で測定を行う。このとき測定する前記２点では凸レンズ１１は固定し、ピントを動かさないで測定する。

この場合、Ｓ８で測定経路３３を算出する際、以下の処理が行われる。
まず、基準点として測定対象点７Ａ”を選択し、測定対象点７Ａ”を測定する際の撮像装置１の撮像高さ３４を算出する（第１の段階）。次に、他方の測定対象点７Ｂ”についても測定する際の撮像装置１の撮像高さ３４を、凸レンズ主点４の位置を同じにした状態で算出する（第２の段階）。
次に、測定対象点７Ｂ”を新たな基準点として測定する際の撮像装置１の撮像高さ３４を算出し、次の測定対象点７Ｃ”について測定する際の撮像装置１の撮像高さ３４を算出する（第３の段階）。これを測定対象点７Ｄ”まで行うことで測定経路３３を決定する。

よって、測定経路３３に基づき、測定対象点７Ａ”及び７Ｂ”で測定を行った後、測定対象点７Ｂ”と他の測定対象点７Ｃ”とが被写界近点と被写界遠点との間に入り、測定対象点７Ｂ”の要求精度に合わせた撮像装置１の撮像高さ３４へ撮像装置１を移動させる。このときにピントを調整できるようなカメラであればピントを調整し直してもよい。測定対象点７Ｂ”および測定対象点７Ｃ”の測定では凸レンズ１１は固定し、同じピントで行う。測定対象点７Ｃ”と測定対象点７Ｄ”においても同様に測定を行い、測定対象点７Ａ”と測定対象点７Ｂ”との垂直方向距離Ｈ_Ａ”Ｂ”、測定対象点７Ｂ”と測定対象点７Ｃ”との垂直方向距離Ｈ_Ｂ”Ｃ”、測定対象点７Ｃ”と測定対象点７Ｄ”との垂直方向距離Ｈ_Ｃ”Ｄ”を加算していくことで、測定対象点７Ａ”と測定対象点７Ｄ”との垂直方向距離Ｈ_Ａ”Ｄ”を算出する。

図１１は、段差のあるワーク２の測定対象点７Ａ”,７Ｂ”,７Ｃ”,７Ｄ”の位置座標を測定する際、ある高さの測定対象点を基準点として測定後、撮像装置１の取り付けられた主軸高さを変え、他の高さの測定対象点を測定する動きの一例を示す。隣り合う段差が被写界近点と被写界遠点との間から外れるほど大きく、図９及び図１０に示す方法で測定対象点の内最も低い位置の測定対象点７Ａ”の要求精度に合わせた撮像装置１の撮像高さでは、式（９）に示す被写界近点と被写界遠点との間で他の測定対象点を測定できない場合は、各測定対象点で撮像高さを変えながら測定を行う。ただし、２点の測定対象点の位置関係を求めるためには凸レンズ１１の位置は固定する必要があり、ピントは主軸を動かして合わせる。主軸の位置決め精度が十分ある場合、測定対象点７Ａ”と測定対象点７Ｂ”との垂直方向距離Ｈ_Ａ”Ｂ”は、主軸の移動量ΔＺ_Ａ”Ｂ”と、測定対象点７Ａ”で測定された凸レンズ主点４と測定対象点７Ａ”との距離Ｈ_Ａ”、測定対象点７Ｂ”で測定された凸レンズ主点４と測定対象点７Ｂ”との距離Ｈ_Ｂ”を使って、
Ｈ_Ａ”Ｂ”＝Ｈ_Ａ”－Ｈ_Ｂ”＋ΔＺ_Ａ”Ｂ”
で求められる。測定対象点７Ｂ”と測定対象点７Ｃ”との垂直方向距離Ｈ_Ｂ”Ｃ”、測定対象点７Ｃ”と測定対象点７Ｄ”との垂直方向距離Ｈ_Ｃ”Ｄ”も同様に求められる。測定経路３３は図１０と同様の処理で決定される。

このように、上記形態の三次元座標測定方法では、ワーク２（測定対象物）における複数の測定対象点のおおよその位置座標と当該位置座標の要求精度とを入力するＳ６（入力段階）と、入力された位置座標と要求精度と、予め設定した撮像装置１の凸レンズ主点４（レンズ主点）と撮像素子１２との距離ｂの範囲とから、各測定対象点等の撮像位置座標（撮像位置）と撮像高さ３４とを算出して設定するＳ７～Ｓ９（設定段階）と、最初に撮像する測定対象点から最後に撮像する測定対象点まで、Ｓ７～Ｓ９で設定された撮像位置座標と撮像高さ３４とに主軸２２ａを移動させて撮像装置１で各測定対象点の撮像を行うＳ１０，Ｓ１１（測定段階）と、各測定対象点等が撮像された画像の内、撮像された測定対象点が画像内で要求精度を満たす測定が可能な距離だけ離れた画像２枚を選択し、三角測量により撮像装置１と測定対象点までの垂直方向の距離Ｈを算出するＳ１２（距離算出段階）とを実行する。
この構成により、ワーク２の各部で要求された精度の測定を、一種類の凸レンズ１１で測定することが可能となる。特に、Ｓ８では、測定にかかる時間を算出してモニタ等で報知するため、ワーク２の測定を効率よく行うことが可能となる。

なお、ワークの形状や測定対象点の数や位置は上記形態に限らない。段階的に上昇する段差に限らず、下降する段差間の測定対象点でも同様に測定できる。

１・・単眼撮像装置、２，９・・ワーク、３，８・・光軸、４・・凸レンズ主点、５・・焦点、６ｐ，６ｑ・・撮像素子上の像、７Ａ，７Ａ’～７Ｄ’，７Ａ”～７Ｄ”・・測定対象点、１１・・凸レンズ、１２・・撮像素子、１３・・測定対象点が撮像素子に結像される前の撮像素子、２０・・マシニングセンタ、２１・・ベッド、２２・・主軸頭、２２ａ・・主軸、２３・・テーブル、２４・・コラム、２５・・サドル、３１・・単眼撮像装置の移動量、３２・・アンダートラベル及びオーバートラベル距離、３３・・測定経路、３４・・撮像高さ、４１・・アンダートラベル位置での凸レンズ主点位置、４２・・予想位置での凸レンズ主点位置、５１・・モニター、５２・・演算部、５３・・送り軸制御部、５４・・移動検出部、５５・・画像取得部、５６・・測定対象点検出部、５７・・測定対象点位置座標演算部、５８・・結果出力部。

Claims (8)

1. 工作機械の主軸に取り付けられた単眼撮像装置で撮像された画像を用いて所定の測定対象物までの距離及び前記測定対象物の位置を測定する三次元座標測定方法であって、
   前記測定対象物における複数の測定対象点のおおよその位置座標と測定に係る要求精度とを入力する入力段階と、
   入力された前記位置座標と前記要求精度と、予め設定した前記単眼撮像装置のレンズ主点と撮像素子との距離の範囲とから、各前記測定対象点の撮像位置と撮像高さとを算出して設定する設定段階と、
   最初に撮像する前記測定対象点から最後に撮像する前記測定対象点まで、前記設定段階で設定された撮像位置と撮像高さとに前記主軸を移動させて前記単眼撮像装置で各前記測定対象点の撮像を行う測定段階と、
   各前記測定対象点が撮像された画像の内、撮像された前記測定対象点が前記画像内で前記要求精度を満たす測定が可能な距離だけ離れた画像２枚を選択し、三角測量により前記単眼撮像装置と前記測定対象点までの垂直方向距離を算出する距離算出段階と
   を実行することを特徴とする三次元座標測定方法。
2. 前記入力段階では、
   前記測定対象物の全体を撮像するように少なくとも２か所以上の位置で複数枚の画像を前記単眼撮像装置により撮像し、前記測定対象物の特徴点の前記複数枚の画像から三角測量により演算を行い、前記測定対象物のおおよその形状位置を取得する形状把握段階を実行し、
   前記形状把握段階で得られた前記形状位置を用いて前記測定対象点のおおよその位置座標と要求精度との入力を行うことを特徴とする請求項１に記載の三次元座標測定方法。
3. 前記距離算出段階では、
   前記測定対象点が撮像された画像の内、前記画像上の前記測定対象点の像の距離間隔が最も長いもの２枚を選択することを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元座標測定方法。
4. 前記設定段階では、
   前記撮像高さと、前記測定対象点の位置座標とから、前記測定対象点の像の距離間隔が最も長い２枚の画像の撮像が可能な予想位置を算出し、前記予想位置を撮像位置として設定することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の三次元座標測定方法。
5. 前記設定段階では、
   前記撮像位置の設定において、前記撮像位置へ前記単眼撮像装置が向かう手前にアンダートラベル距離を、前記単眼撮像装置が向かう前記撮像位置から先へオーバートラベル距離をそれぞれ設定し、
   前記アンダートラベル距離及び前記オーバートラベル距離内では複数箇所の任意の撮像位置を設定することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の三次元座標測定方法。
6. 前記設定段階では、
   前記測定対象点の中から基準点を選択し、
   前記基準点を測定する際の前記単眼撮像装置の撮像高さを算出する第１の段階と、
   前記基準点と異なる前記測定対象点について、前記単眼撮像装置内のレンズ主点位置を、前記基準点を測定する際と同じにした状態において測定する際の前記単眼撮像装置の撮像高さを算出する第２の段階と、
   前記撮像高さを算出した測定対象点と前記基準点とのいずれかを新たな基準点として前記第１の段階を実行した上で、測定を行っていない測定対象点について前記第２の段階を実行する第３の段階とを、
   全ての前記測定対象点に対して実行することで前記単眼撮像装置の測定経路を決定することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の三次元座標測定方法。
7. 前記単眼撮像装置は、光学カメラであることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の三次元座標測定方法。
8. 前記設定段階では、
   前記単眼撮像装置の測定経路と、前記撮像を行う間隔とから全ての前記測定対象点を測定するのに要する時間を算出し、算出した時間を報知することを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の三次元座標測定方法。

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