JPH08504505A - 離れた像を撮像する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 物体空間を歩進的に走査するレーザスキャナと、光反射像をビデオ画像として撮像するＣＣＤカメラと、ビデオ画像から画像情報を読み出して処理するコンピュータを使用して、アクティブ三角測量原理に従って離れた像を撮像するための方法は、くさび状レーザ光線と、遠方像内のビデオ画像の一時メモリを使用し、続いてそのときの実際のビデオ画像から先行するビデオ画像を減算する。これにより、迷光が効果的に抑制される。それに所属する装置では、くさび状レーザ光線が第１のグループの円柱レンズによって生じ、広角の光線部分が収差を過剰補正する第２のグループの円柱レンズによって生じる。使用されるカメラレンズは、干渉フィルターを設けた範囲においてすべての光束が干渉条件を充分に満たす、光軸に対する小さな角度をなすように数値的に最適化されている。これにより、くさびの全幅にわたって均一な輝度分布が生じ、迷光の除去が保証される。

Description

【発明の詳細な説明】 離れた像を撮像する方法および装置 本発明は、請求の範囲第１項の上位概念に記載した、アクティブ三角測量原理 に従って離れた像を撮像するための方法と、請求の範囲第３項の上位概念に記載 した、この方法を実施するための装置に関する。 ドイツ連邦共和国特許出願公開第４１１５４４５号公報から、アクティブ三角 測量原理に従って三次元像を撮像するための方法が知られている。その際、光学 系とコード化装置および記憶装置を有するレーザプロジェクターによって、光切 断平面の形をした光学平面のような物体マーキングのためのコードが所定の周波 数で物体に投射される。プロジェクターと同期するビデオカメラは画像記憶装置 を備え、物体と物体マーキングを撮像する。コード化装置によって生じたコード は自由にプログラミング可能であり、レーザの強さと、焦点調節装置およびレー ザ光線用偏向装置の偏向を制御するための成分を有する。焦点はレーザ光線と共 にコードタクト内で一緒に案内される。この場合、焦点は像鮮鋭調節のための設 定可能な範囲を通過する。コードはビデオカメラと同期して自由に解読される。 この場合、一連の像の灰色値は同じ像座標でデコーダによって識別され、投射さ れた光切断平面の連続体内で一定の光切断平面に従属する。この光切断平面は物 体の観察個所の絶対座標を提供する。この公知の方法と装置は静止物体にのみ適 している。いろいろな作動距離に適合させるために、物体の走査の間、偏向装置 によって平均の物体高さに焦点を動的に合わせる必要があり、そして被写界深度 範囲を最適化し物体に合わせるために、絞りをタクト的に調節する必要がある。 本発明の根底をなす課題は、焦点合わせをしないで、ほとんど任意の深度段階 で動的な物体を撮像および測定することができる冒頭に述べた種類の方法を提供 することである。この場合、迷光を効果的に抑制し、リアルタイムで行うべきで ある。更に、従来の構成部品を使用して装置を提供すべきである。この装置によ って方法が実施可能であり、非協調的な環境でも遠方像を一義的に撮 像できる。 この課題は本発明に従い、請求の範囲第１項と第３項記載の特徴によって解決 される。本発明の有利な実施形および実施態様は従属請求項の対象となっている 。 これによって、得られる遠方像は個々に撮像された多数のビデオ画像からなっ ている。この場合、このビデオ画像はそれぞれ送信器の異なる角度位置によって 撮像される。レーザ光線をくさび形に形成することにより、画像平面内で常に同 じ高さの反射像が結像され、くさび角度とカメラの焦点距離に依存して反射像は 重ならない。 レーザ光源、すなわち“ルーザスキャナ”から放射されるくさび状光に基づい て、物体をいろいろな距離で撮像するために、焦点合わせ、ひいては高価な焦点 調節装置は不要である。従って、深度または深度段階付けは問題がない。 くさび状光による走査はくさびの積層体と幾何学的に比較可能である。この場 合、視界内に密なパッキングが生じる。従って、中間空間を有する公知の走査と 異なり、非常に小さな物体を撮像することができる。 方法は実質的に次のように区分される。 １．スキャナが物体空間内で狭いくさび状のレーザ光を投射する。この場合、コ ンピュータは角度位置から角度位置への走査過程を制御する。従って、走者され た帯はスキャナの所定の公知の放射角度に属し、視界全体が歩進的に走査される 。その際、くさび状光はＣＣＤカメラの平均待ち時間のためにあらゆる位置に保 持され、ステップからステップへの位置決め時間は、使用されるスキャナに応じ て１ｍｓ未満である。 ２．コンピュータがカメラの統合過程を開始する。 ３．コンピュータがカメラからの画像情報の読みだしを開始する。 ４．コンピュータがその作動メモリに画像情報を取り込み、再びスキャナの新た な位置決めを開始する。 ５．コンピュータがその作動メモリ内で反射像測定を行う。その際、セットされ た各々の画素に、物体空間内の絵素（Voxel）が正確に一致することが重要であ る。この絵素の座標は式に従って直接算出可能である。すなわち、空間内の 絵素の（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標と、反射像測定の（ｘ′，ｙ′）座標の間に一義的な 結像が存在する。この場合、（ｘ′，ｙ′）はカメラの画像平面内の画素座標で あり、瞬時のスキャナ角度である。 ６．このステップは、視界全体が走査されるまで繰り返される。そして、出力さ れた情報は再視覚化される。すなわち平面情報として遠近法で、そして深度情報 としてカラーコード化されて、および座標記載によって投影スクリーン上で出力 される。理解されるように、物体識別のために遠方像の他の処理自体が知られて いるが、第一義的にはシステムコンピュータの役目に属し、従って本発明の対象 ではない。 本発明は更に、請求の範囲第３項の上位概念に記載した、アクティブ三角測量 原理に従って離れた像（遠方像）を撮像するための装置に関する。 ドイツ連邦共和国特許出願公開第３４１２０７６号公報により、光点の二次元 測定装置が知られている。この場合、光点は動かされるレーザ光線によって走査 技術に従って発生し、読み出される２個のフォトダイオード走査線を有するカメ ラが設けられている。この両フォトダイオード走査線は異なる画像平面内に互い に分離されて配置されている。結像光学系によって、光点はその都度光バーとし てフォトダイオード走査線上に直交させて結像される。そのために、結像光学系 はレンズのほかに、半透明反射鏡と、この反射鏡の後に配置された２個の円柱レ ンズを備えている。この円柱レンズの軸は互いに曲げて配置され、光点の座標軸 を固定している。三次元測定のために、他の光学レンズと表面鏡が必要である。 この場合、互いに異なる２対の座標が生じる。 既に述べたドイツ連邦共和国特許出願公開第４１１５４４５号公報により、請 求の範囲第３項の上位概念に記載した、物体の三次元像を撮像するための装置が 知られている。この場合の方法はレーザ線形焦点調整であるので、この公知の装 置はオートフォーカス調節ユニットを必要とする。このオートフォーカス調節ユ ニットは実質的に、可動コイル内に嵌込み固定された半導体レーザによって形成 されている。この半導体レーザは可動コイルに交流を流すときに、レーザ光線の 長手軸線方向に前後に機械的な振動を行う。レーザ光源の後に配置された両円柱 レンズと、その間に設けられた絞りは、線形像を生じるためま たは被写界深度範囲を物体に適合させるために役立つ。既に述べたように、この 公知の装置は動的な焦点調節を行うものであり、静止物体にのみ適している。 H.K.Toenshoff、M.SeidelおよびJ.-C Greulich著の“工業ロボットの輪郭トラ ッキングおよび自動プログラミングのための５自由度を測定する三角測量センサ ”、定期刊行物“Vision＆Voice Magazine”１９９２年１０月第６巻第４号の第 ２７９〜２８２頁によって、５自由度でプラスチック製品の形を測定するための 三角測量センサが知られている。ミニチュアダイアプロジェクターによって、広 い帯の光が工作物に投射され、帯の灰色像がＣＣＤカメラによって撮像され、パ ーソナルコンピュータによって処理される。この場合、基準平面に対する工作物 の高さはは三角測量によって４点で測定される。工作物はコンベヤベルト上で、 定置され動かない投影および撮像装置の下方を通過する。高さ測定範囲はほぼ８ ｍｍである。この公知の装置は合成樹脂工作物の角を削るためのロボット運動軌 道を自動的に最適化するために役立ち、非協調環境での大きな深度段階付けの動 的物体の遠方像を撮像するためには適していない。 本発明による装置によって一方では、くさび状に形成されたレーザ光線が生じ 、他方ではくさびの全幅にわたって充分に均一な輝度分布が生じる。すなわち、 口径食と周縁への輝度低下が避けられる。迷光を閉め出すために、請求項３の他 の一部の特徴によれば、カメラレンズの光路内に干渉フィルターが設けられてい る。この場合、カメラレンズ自体は提示されたように形成され、電子回路がカメ ラの出力部に設けられている。この電子回路はビデオ画像を対をなして次々に一 時記憶し、実際のビデオ画像から先行するビデオ画像を減算することによって一 義的な信号を発生する。これにより、専ら、レーザ光源の反射像だけが考慮され 、本発明による装置の機能が非協調環境で保証される。これに関連して、対象物 の表面の滑らかな平面からの空間的な偏差を検出するために、反射した光をカメ ラによって撮像し、その画像信号の輝度の差とコントラストの差を評価すること が知られている。この場合、ビデオ信号は二つの画像信号の減算によってコント ラストが高められるかあるいは鮮鋭でない画像のビデオ信号が鮮鋭画像のビデオ 信号から減算される（ドイツ連邦共和国特許出願公開第３０２１４４８号公報） 。しかし、本発明は三角測量原理に従って遠方 像を撮像するために、表面構造を識別する、それ自体公知のデジタル基準像方法 の手段を使用する。 コンピュータとしては基本的には市販のあらゆるコンピュータを使用すること ができる（パーソナルコンピュータも使用可能である）。このコンピュータは装 置特有の下位構造グループとのデータ交換のために必要なインターフェースを備 えている。きわめて迅速な作動（１秒あたり複数の遠方像）のために、過酷な工 業環境では、例えばＭＣ−６８０４０をベースとするコンピュータカードを有す るＶＭＥバスシステムが有利である。 図に略示した実施例と３つの用途例の次の説明から、本発明の他の詳細が明ら かになる。 図１は本発明による装置の原理的な斜視図であり、かつこの装置によって発生 したビデオ像を示す図、 図２は光源の後に配置された光学系の広角部分の光路の縦断面図、 図３はＣＣＤカメラのレンズの縦断面図、 図４はデジタル式差像法のブロック線図、そして 図５ａ−ｃは本発明による装置の３つの用途例を示す図である。 図１において、座標ｘ，ｙ，ｚを有する物体空間Ａ内には、深度方向にずらし て配置された同一の２個の物体１０，１０′が設けられている。この物体から、 アクティブ三角測量原理に従って三次元の像が撮像される。そのために、送光器 １１とＣＣＤカメラ１２が互いに一定の公知の距離をおいて配置されている。こ の距離は測定底辺を形成する。送光器１１としては、波長が８１０ｎｍで出力が ３０ｍＷの市販のレーザダイオードが使用されている。このレーザダイオードの 後方にはコリメータ１３とレーザ光学系１４が配置されている。レーザ光学系１ ４はレーザ光線を狭いくさびの形に形成する第１の円柱レンズ群１５と、くさび 状レーザの広角のための第２の円柱レンズ群１５′を備えている。この第２の円 柱レンズ群は図２に基づいて詳しく説明する。レーザ光線は直流型スキャナ１６ で駆動されるスキャナ反射鏡１７によって歩進的に偏向される。従って、物体空 間Ａ内で、狭いくさび状光１８が瞬時くさび角度で固定される。物体空間Ａのこ の歩進的な走査によって、走査帯状反射像１９，１ ９′が物体１０，１０′上に発生する。この走査帯状反射像はＣＣＤカメラ１２ によって撮像される。 ＣＣＤカメラ１２としては、例えばダルサ社（Dalsa Inc.）からターボセンサ （Turbosensor）CA-D1-0256の名称で販売されているような市販の高感度カメラ が使用される。見やすくするために、物体空間Ａの方へ向いたカメラ１２の視界 Ｂはカメラの外側に図示してある。この場合、レーザ光線の頂点−くさび角度は カメラの走査線数と視界に適合している。カメラ１２の一つの走査線は一つの仰 角範囲を“見る”。この仰角範囲はカメラの視界仰角と走査線数の商として生じ る。すなわち、カメラ１２の走査線数が例えば２５６本で、視界仰角が２５．６ ゜であると、最高の分解能のための頂点−くさび角度は０．１゜である。速い走 査速度が所望される場合には、この角度を大きくすることができる。 カメラ１２に固定された、図３に基づいて詳しく説明するレンズ２０によって 、視界ＢがＣＣＤチップ２１上に結像される。この結像は座標ｘ′，ｙ′と反射 像２２，２２′を有する二値画像Ｃとして拡大して示してある。 くさび状に形成されたレーザ光線の作用を理解しやすくするために、同一の２ 個の物体１０，１０′が物体空間Ａ内に設けられている。離れた方の物体１０′ は人の目に似て小さく見える。くさびはこの縮小作用を再び解消し、二値画像Ｃ では両反射像２２，２２′が同じ高さを有し、離れた方の物体１０′の後側の像 ２２′の幅が狭くなっている。 図２には、広角の光線部分を発生する、円柱レンズ１５′とロッドレンズ１５ ″からなるレンズ群が示してある。このレンズは両方共、同じ屈折率と球状表面 を有する。平行になった光線は円柱レンズ１５′を通過する。この円柱レンズは 大きな収差を生じる。それによって、ロッドレンズ１５″の光学面ａの周縁光束 は、光軸近くの光束よりもはるかに密に圧縮され、勿論光学面に対して大きな角 度をなす。その結果、円柱レンズ１５′のタイプの個々のレンズの焦点ｂの背後 で、周縁光線は光軸近くの光線よりも非常に大きく拡散する（球面収差）。くさ び状のレーザ光の全幅にわたって輝度分布を充分に均一にするために、強く圧縮 された周縁光束の作用を保存すべきであり一方、周縁光束の 大きな角度の同時作用を補正すべきである。これはロッドレンズ１５″によって 入射面としての光学面ａで行われる。この入射面は周縁光線のために、光軸の範 囲の光線よりもはるかに大きな入射傾度を提供する。それに関連する傾度の差に より、境界光線の角度は光軸近くの光線の角度よりもはるかに大きな影響を受け る。ｃのところで、収差のこの過剰補正が明瞭に見える。第２の円柱レンズ群の 本発明による形成により、くさび状レーザ光の全幅にわたって均一な輝度分布が 生じる。 図３に示したＣＣＤカメラ１２のレンズ２０は、７個のレンズからなる広角レ ンズである。この広角レンズは、干渉条件を満たすために、レンズ２０の光路内 の範囲ｄにおいてすべての光束がそのもとの画角と無関係に光軸に対して充分に 小さな角度をなすように、数値的に最適化された。この角度は５゜よりも小さく 、そして範囲ｄには狭帯域の干渉フィルター２３が設けられている。 図４のブロック線図において、ＣＣＤカメラ１２から来るアナログビデオ信号 は一方では演算増幅器２４の非プラス入力部に入り、他方ではＡ／Ｄ変換器２５ の一時記憶装置に入る。同期成分が制御論理２６に供給される。Ａ／Ｄ変換器は 画像一時記憶ユニットの一部である。この一時記憶ユニットは更に、２個のアド レス切換器２７，２８と、２個の画像メモリ２９，３０と、Ｄ／Ａ変換器３１を 含み、ビデオ信号をデジタル化する。このようにして発生するデジタル画像（８ ビット）はアドレス切換器２７を経てデジタル画像メモリ２９（ＲＡＭ）に書き 込まれる。デジタル画像一時記憶ユニット２５，２７〜３１の他の側にはＤ／Ａ 変換器３１が設けられている。このＤ／Ａ変換器は画像メモリ３０からのデジタ ル画像をアドレス切換器２８によって選択し、アナログビデオ信号に変える。こ のアナログビデオ信号はその前にＣＣＤカメラ１２によって撮像したビデオ画像 の画像情報を含んでいる。このビデオ画像は演算増幅器２４の逆相入力端子に供 給されるので、この演算増幅器は実際のビデオ信号と最後に撮像したビデオ画像 との間のアナログ減算を行う。 その際、両画像に同じように存在する残留迷光は減算され、両ビデオ画像の差 だけが通過する。 本発明による方法に基づいて、連続するビデオ画像が異なるスキャナ角度位 置によって撮像され、オーバーラップしないので、３２で示した差像には、一方 ではビデオ信号の正の電圧範囲に、実際の走査帯状反射像の情報が残り、他方で はビデオ信号の負の電圧範囲に、先行する画像の走査帯状反射像の情報が残る。 負の電圧範囲の成分は、透過閾値をプログラミング可能である閾値プログラマブ ル２値化コンパラータ３３によって、幾分まだ残っている残留妨害部と共に濾過 され、３４で示した２値画像に変換される。そして、この２値画像は図示してい ないコンピュータに供給される。 そして次のビデオ画像が来るときに、制御論理２６がアドレス切換器２７，２ ８をその都度その他方の位置に切換えるので、画像メモリ２９，３０の読み出し 機能または書き込み機能が交互に交代する。 図５ａ−ｃには本発明による装置の用途例が示してある。 図５ａの装置は、測定すべき回転可能な物体４０の遠方画像を撮像するために 役立つ。レーザスキャナの形をした送光器１１とＣＣＤカメラ１２は、電子ボッ クス４１およびコンピュータ４２と共に、共通のケース４３内に設けられている 。 図５ｂでは、本発明の装置が工業ロボット、いわゆる屈曲アーム式ロボット５ ０のためのガイドセンサとして使用される。送光器１１とＣＣＤカメラ１２はブ ラケット５１の反対側の面に固定され、電子ボックス５２とロボット制御装置５ ３はそれぞれ分離した構成要素として設けられている。 図５ｃは自律走行車両６０を示している。そのガイドセンサは送光器１１とＣ ＣＤカメラ１２によって形成されている。 理解されるように、本発明の装置の数多くの他の用途が可能である。この装置 は例えば自由形状面を測定するための工作物検査、工作物表面検査、工作機械へ の工作物供給、工業生産（ベルトコンベヤ）時の完成品チェック、組み立てロボ ットまたは建物監視に用いることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 パフ ライナー ドイツ連邦共和国 デー・35684 ディレ ンブルク キルヒヴェーク ２ (72)発明者 ヴィントパッシンガー ロマーン ドイツ連邦共和国 デー・80809 ミュン ヘン ヘレーネ・マイヤー・リング 14 （810)

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．アクティブ三角測量原理に従って離れた像を撮像するための方法であって、 送光器によってレーザ光線が物体空間に投射され、この物体空間が歩進的に走査 され、光反射像がビデオ画像としてＣＣＤカメラによって撮像され、送光器とカ メラがそれぞれ公知の放射角度をなし、コンピュータがカメラから画像情報を読 み出す方法において、レーザ光線がくさび形に形成され、迷光を抑制し同時に視 界を大きくするために、ＣＣＤカメラから来るビデオ画像が遠方像内で対をなし て次々に二次元画像として一時記憶され、続いて先行するビデオ画像がそれぞれ 実際のビデオ画像から減算され、コンピュータにによって２値画像として読み出 されることを特徴とする方法。 ２．レーザ光線の頂点くさび角度がＣＣＤカメラの走査線数およびその視界に適 合していることを特徴とする請求の範囲第１項の方法。 ３．アクティブ三角測量原理に従って離れた像を撮像するための装置であって、 送光器と備え、この送光器がレーザ光線を物体空間に投射し、この物体空間が歩 進的に走査され、更に、物体空間から光反射像をビデオ画像として撮像するＣＣ Ｄカメラと、カメラから画像情報を読み出すコンピュータを備え、この場合送光 器としてコリメータを備えたレーザダイオードが使用され、このコリメータが２ つのグループの円柱レンズの後に配置されている装置において、この第１のグル ープの円柱レンズ（１５）がくさび状のレーザ光線を発生し、第２のグループの 円柱レンズ（１５′，１５″）が広角の光線部分を発生し、周縁光線が光学面（ ａ）に対して急な傾度と大きな入射角度をなすように、第２のグループの円柱レ ンズがその収差の過剰補正部を有し、光路の範囲（ｄ）においてすべての光束が その元の画角と無関係に、光軸（ｅ）に対して干渉条件を満たすのに必要な充分 小さな角度（）をなし、この範囲に狭帯域の干渉フィルター（２３）が設けられ 、カメラ出力部に、Ａ／Ｄ変換器（２５）、２個のデジタル画像メモリ（２９， ３０）、Ｄ／Ａ変換器（３１）および制御回路（２６）を備えた電子回路装置と 、加算器（２４）が設けられていることを特徴とする装置。 ４．電子回路装置の後に、閾値をプログラミング可能な２値化コンパレータ（３ ３）が接続配置されていることを特徴とする請求の範囲第３項の装置。