JPH09126735A - 多重結像カメラ及びこのカメラを用いた形状測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被測定物が動いている場合、微小な物体の場
合などにでも形状測定を行うことができる。 【解決手段】 形状測定装置２０内に備えられている多
重結像カメラ１０は、複数のハーフミラー３２Ａ〜３２
Ｄ、受光レンズ３４Ａ〜３４Ｅ及び撮像素子である２次
元ＣＣＤセンサ３６Ａ〜３６Ｅが設けられている。これ
により、被測定物１２のスリット像３８Ａ〜３８Ｅは２
次元ＣＣＤセンサ３６Ａ〜３６Ｅに結像され、演算装置
２２に取り込むタイミングをずらすことができる。ま
た、ハーフミラー等が複数設けられていることによって
生じる出力信号に対する誤差（スリット像の大きさ、受
光量の差）は演算装置２２内で補正を行う。従って、被
測定物が動いている場合や微小な物体の場合にでも同一
条件のスリット像を得ることができるので、形状測定を
行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定物にスリッ
ト光を照射し、その被測定物からの反射光を受光するカ
メラを用いることによって、被測定物の形状を測定する
形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、被測定物の凹凸等の形状を測
定するためには被測定物の表面を光学的に非接触で測定
する装置が提案されている。これは、測定装置に設けら
れている光源から被測定物に向かって、スリット状の光
ビーム（以下、これをスリット光という）を所定の角度
で照射し、照射したスリット光の被測定物上に映った輝
点の軌跡（以下、これを輝線という）をＴＶカメラを用
いて撮影して、これより出力されるビデオ信号に基づい
て演算処理を施すことで、被測定物の表面各点における
座標測定を行い、形状を測定していた。

【０００３】すなわち、従来のＴＶカメラには受光レン
ズ及び２次元ＣＣＤセンサ等の撮像素子がそれぞれ１個
ずつ備えられており、この２次元ＣＣＤセンサに撮像さ
れた１つの輝線の像（以下、これをスリット像という）
に基づく電気信号を所定時間毎（３３ｍｓ毎）に取り込
み、演算処理を施すことにより、被測定物の形状を測定
するようになっていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来提
案されていた形状測定装置に使用されていたＴＶカメラ
は被測定物が静止状態にある場合において、形状測定を
行う場合には良好な結果を得ることができたが、被測定
物が動いていた場合や対象とする被測定物が微小な物体
である場合等には撮像素子上にスリット像が結像され
ず、ビデオ信号が出力されないことがあった。これは、
１フレームの画像情報を３３ｍｓ毎に取り込んで演算処
理していたためである。従って、被測定物の形状を正確
に測定することができないことがあった。

【０００５】本発明は上記事実を考慮して、動きのある
被測定物及び微小な被測定物等に対しても静止している
被測定物の形状測定を行う場合と同様に良好な結果を得
ることのできる機能を持つ多重結像カメラ及びこのカメ
ラを用いた形状測定方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【発明を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１に記載の発明は、１つの被測定物に照射され
たスリット光の反射光をハーフミラーで分光し、分光さ
れたそれぞれの画像を結像する複数の撮像素子を備えて
いる。

【０００７】請求項１に記載の発明によれば、被測定物
に照射されたスリット光の反射光が入射され、この入射
光をハーフミラーにより所定数に分光することにより、
被測定物のスリット像を複数の撮像素子にそれぞれ結像
させることができる。

【０００８】請求項２に記載の発明は、被測定物に照射
されたスリット光の反射光を透過、又は反射させる複数
のハーフミラーと、前記ハーフミラーの反射側及び透過
側に設けられ、前記ハーフミラーからの反射光、又は透
過光が入射される複数の受光レンズと、前記受光レンズ
の焦点位置にそれぞれ配置され、被測定物上の輝点の軌
跡を結像する複数の撮像素子と、前記各撮像素子に結像
された画像毎に独立して、該画像に基づく信号を出力す
る信号出力手段と、を有している。

【０００９】請求項２に記載の発明によれば、請求項１
に記載の多重結像カメラは被測定物に照射されたスリッ
ト光の反射光を入射し、この入射光をハーフミラーによ
り２方向に分光する。従って、ハーフミラーを介するこ
とにより多重結像カメラへの入射光は透過、及び反射さ
れる。さらに、ハーフミラーによる反射光、及び透過光
をハーフミラーの反射側及び透過側に設けられている受
光レンズを通過させた後、それぞれの撮像素子に結像さ
せることができ、これらの撮像素子に結像されたスリッ
ト像毎に被測定物に関するビデオ信号を出力することが
できる。

【００１０】請求項３に記載の発明は、前記信号出力手
段の出力タイミングが各撮像素子による画像１フレーム
の取り込み時間を前記多重結像カメラ内に配設された撮
像素子の数で割った時間毎とすることを特徴としてい
る。

【００１１】請求項３に記載の発明によれば、請求項１
及び請求項２に記載された多重結像カメラを用いること
により、複数の撮像素子に結像されたスリット像の信号
は時間をずらして出力することができる。このときの出
力タイミングは、画像１フレームの取り込み時間をカメ
ラ内の撮像素子数で割った時間毎になる。

【００１２】請求項４に記載の発明は、１つの被測定物
に照射されたスリット光の反射光をハーフミラーで分光
し、分光されたそれぞれの画像を結像する複数の撮像素
子を備えた多重結像カメラを用いた形状測定方法であっ
て、前記各撮像素子で撮像する際のそれぞれの光路長の
差に基づいて、前記撮像素子に結像されたそれぞれの結
像画像を所定の倍率に補正し、かつ前記ハーフミラーを
介することによる光量差を補正することを特徴としてい
る。

【００１３】請求項４に記載の発明によれば、撮像素子
に結像されたスリット像は光路長の変化により、それぞ
れの大きさが異なると共に、ハーフミラーを介すること
により受光量に差が生じている。このため、前記多重結
像カメラからの出力信号に対して倍率補正及び受光量補
正を行い、すべてを同一の条件として演算することによ
り被測定物の形状測定を行うことができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態に係る
多重結像カメラ１０及びこの多重結像カメラ１０を用い
た形状測定方法について述べる。

【００１５】なお、以下の発明の実施の形態における被
測定物１２は、図１に示すような抵抗とし、この形状測
定を行う場合を例にとり、説明する。

【００１６】また、本発明の多重結像カメラ１０が内蔵
された形状測定装置２０はスリット光１４の出力／入力
面を被測定物１２に対向させて保持し、形状測定を行う
ようになっている。

【００１７】図１には、本発明の実施の形態に係る多重
結像カメラ１０が内蔵された形状測定装置２０が示され
ている。

【００１８】形状測定装置２０は、略直方体であるケー
シング１６によって被覆されており、このケーシング１
６には、後述するスリット光１４を照射する投光装置１
８と被測定物１２上に照射したスリット光１４の照射位
置を撮像する本発明の実施の形態に係る多重結像カメラ
１０とが備えられている。また、多重結像カメラ１０か
ら出力される電気信号に基づいて、形状測定等を行うた
めの演算装置２２が設けられている。さらに、スリット
光１４の出力／入力面と反対側の面には、形状測定の開
始／停止を指示するスイッチ２４が設けられていると共
に、測定結果等が表示される液晶ディスプレイ２６が設
けられている。

【００１９】図２には、本発明の実施の形態に係る多重
結像カメラ１０が示されている。この多重結像カメラ１
０は略直方体のケーシング２８によって内部の装置が保
護されており、被測定物１２上に照射されたスリット光
１４の反射光がケーシング２８の一面に設けられた丸孔
３０から入射するようになっている。さらに、この入射
光を反射、又は透過させる４個のハーフミラー３２Ａ〜
３２Ｄが備えられている。ハーフミラー３２Ａ〜３２Ｄ
は、それぞれ入射光に対して４５°の角度をもって配置
されている。

【００２０】まず、第１のハーフミラー３２Ａが入射光
を反射、透過させて２方向に分光させる。このときの反
射光が第１のハーフミラー３２Ａの反射側に設けられて
いる第２のハーフミラー３２Ｂによって、さらに２方向
に分光されるようになっている。また、第３のハーフミ
ラー３２Ｃは、第２のハーフミラー３２Ｂの透過側に設
けられており、第４のハーフミラー３２Ｄは、第３のハ
ーフミラー３２Ｃの透過側に設けられている。これらの
ハーフミラー３２Ａ〜３２Ｄは、すべて入射光を２方向
に分光するようになっている。従って、丸孔３０を通過
して入射されたスリット光１４の反射光は５方向に分光
されるようになっている。

【００２１】また、これらのハーフミラー３２Ａ〜３２
Ｄの反射側及び透過側にハーフミラー３２Ａ〜３２Ｄか
らの反射光、又は透過光をそれぞれ入射させる受光レン
ズ３４Ａ〜３４Ｅが備えられている。さらに、それぞれ
の受光レンズ３４Ａ〜３４Ｅの焦点位置には撮像素子で
ある２次元ＣＣＤセンサ３６Ａ〜３６Ｅが備えられてお
り、これらにスリット像３８Ａ〜３８Ｅが結像されるよ
うになっている。また、結像されたスリット像３８Ａ〜
３８Ｅに基づく信号が２次元ＣＣＤセンサ３６Ａ〜３６
Ｅ毎に出力されるようになっている。

【００２２】図３には、多重結像カメラ１０内に備えら
れている２次元ＣＣＤセンサ３６Ａ〜３６Ｅに結像され
たスリット像３８Ａ〜３８Ｅを示している。

【００２３】スリット像３８Ａ〜３８Ｅはハーフミラー
３２Ａ〜３２Ｄによる光路長の変化及び受光量の変化に
より、それぞれの倍率と光量は変動している。

【００２４】続いて、図４を用いて本実施の形態に係る
多重結像カメラ１０が内蔵された形状測定装置２０につ
いて詳細構造を説明する。

【００２５】投光装置１８は、スリット光１４を照射す
るために必要な光源としての半導体レーザー４０、ビー
ムを収束させるために球面レンズで構成されたコリメー
タレンズ４２、及び収束されたビームを一方向に発散さ
せるロッドレンズ４４を有している。

【００２６】ここで、受光装置として本実施の形態での
多重結像カメラ１０が使用されており、それぞれの２次
元ＣＣＤセンサ３６Ａ〜３６Ｅに結像されたスリット像
３８Ａ〜３８Ｅに基づく信号をフレームメモリ４６に出
力するようになっている。フレームメモリ４６には、こ
れらの信号が記憶されるようになっている。

【００２７】さらに、フレームメモリ４６のそれぞれの
出力端はマルチプレクサ４８に接続されている。マルチ
プレクサ４８では、フレームメモリ４６から入力された
信号を６．６ｍｓ毎に、続いて処理が行われる演算装置
２２に出力するようになっている。従って、従来スリッ
ト像に基づく信号は３３ｍｓ毎に演算装置に取り込まれ
ていたが、本実施の形態に係る形状測定装置２０では多
重結像カメラ１０に２次元ＣＣＤセンサ３６Ａ〜３６Ｅ
が複数設けられており、これらに結像されたスリット像
３８Ａ〜３８Ｅに基づく信号は図５のタイムチャートに
示されるように６．６ｍｓ毎に演算装置２２に取り込ま
れるようになっている。

【００２８】さらに、演算装置２２は、増幅回路（ＡＭ
Ｐ）５０、アナログデジタル変換器５２（以下、Ａ／Ｄ
変換器と示す）及びマイクロコンピュータ５４（マイコ
ン）を備えている。増幅回路５０の入力端はマルチプレ
クサ４８の出力端に接続されており、ここから出力され
た信号を所定の増幅率で増幅して出力する。また、増幅
回路５０の出力端は、Ａ／Ｄ変換器５２の入力端に接続
されているため、増幅回路５０で出力されたデータは、
このＡ／Ｄ変換器５２に入力されることになっている。
さらに、Ａ／Ｄ変換器５２の出力端は、マイコン５４に
接続されており、ここで倍率補正、受光量補正、及び形
状測定のための演算が行われる。本実施の形態における
多重結像カメラ１０には４個のハーフミラー３２Ａ〜３
２Ｄが設けられており、それぞれに対応する２次元ＣＣ
Ｄセンサ３６Ａ〜３６Ｅに結像されるスリット像３８Ａ
〜３８Ｅの大きさが異なるため、倍率補正を行う。ま
た、ハーフミラー３２Ａ〜３２Ｄを介することにより、
２次元ＣＣＤセンサ３６Ａ〜３６Ｅにおける受光量が変
動するため、受光量が一定になるように補正するように
なっている。さらに、マイコン５４には、ＣＰＵ５６、
ＲＯＭ５８、ＲＡＭ６０、及び外部の装置との入出力を
行う入出力ポート６２が備えられており、これらはすべ
てバス６４によって接続され、データ及びコマンドのや
りとりを相互に行うことができるようになっている。ま
た、演算装置２２には本発明の実施の形態に係る形状測
定装置２０を用いて測定を行う際の開始又は停止を指示
するためのスイッチ２４、及び演算装置２２によって演
算された結果を出力するディスプレイ２６が接続されて
いる。

【００２９】以下に本実施の形態の作用として多重結像
カメラ１０が内蔵された形状測定装置２０を用いた形状
測定方法について説明する。

【００３０】図１に示すように形状測定装置２０のケー
シング１６のうち、投光装置１８及び多重結像カメラ１
０が備えられている面をこれから測定しようとする被測
定物１２に向けて、保持する。

【００３１】続いて、形状測定を開始する際には形状測
定装置２０に設けられているスイッチ２４をオンにす
る。スイッチ２４をオンにすると、光源である投光装置
１８からスリット光１４が射出され、被測定物１２に照
射される。これによって、被測定物１２上には輝線１３
が現れることになる。被測定物１２上で反射されたスリ
ット光１４は多重結像カメラ１０に入射されるようにな
っている。

【００３２】多重結像カメラ１０に入射された反射光
は、入射光を半分だけ反射させると共に、半分を透過さ
せる役割を果たすハーフミラ３２Ａ〜３２Ｄによって２
方向に分光される。まず、被測定物１２上で反射された
スリット光１４（多重結像カメラ１０への入射光）は、
第１のハーフミラー３２Ａにより２方向に分光される。
この第１ハーフミラー３２Ａによる透過光は、第１の受
光レンズ３４Ａを通過して、撮像素子である第１の２次
元ＣＣＤセンサ３６Ａに被測定物１２の輝線１３の像、
すなわちスリット像３８Ａを結像する。また、第１のハ
ーフミラー３２Ａにおける反射光は、第２のハーフミラ
ー３２Ｂによって同様に２方向に分光される。すなわ
ち、第２のハーフミラー３２Ｂでは第１のハーフミラー
３２Ａにおける反射光のさらに半分の反射光が第２の受
光レンズ３４Ｂを通過し、第２の２次元ＣＣＤセンサ３
６Ｂに被測定物１２のスリット像３８Ｂを結像する。こ
れが第４のハーフミラー３２Ｄまで繰り返される。従っ
て、第４のハーフミラー３２Ｄにおける反射光は、第４
の受光レンズ３４Ｄを通過して、第４の２次元ＣＣＤセ
ンサ３６Ｄにスリット像３８Ｄが結像され、このときの
透過光は第５の受光レンズ３２Ｅを通過して、第５の２
次元ＣＣＤセンサ３６Ｅにスリット像３８Ｅが結像され
る。

【００３３】これにより、複数のスリット像３８Ａ〜３
８Ｅが得られることになるので、対象としている被測定
物が動いている場合や微小の物体であった場合において
も必ず１度は撮像素子である２次元ＣＣＤセンサの受光
面にスリット像が結像され、後の処理により形状を測定
することが可能になる。

【００３４】さらに、２次元ＣＣＤセンサ３６Ａ〜３６
Ｅに結像されたスリット像３８Ａ〜３８Ｅに基づく電気
信号はフレームメモリ４６に記憶され、マルチプレクサ
４８に入力される。

【００３５】しかし、それぞれの２次元ＣＣＤセンサ３
６Ａ〜３６Ｅに結像されたスリット像３８Ａ〜３８Ｅは
光路長の変化に伴って大きさが変化することは否めな
い。また、ハーフミラー３２Ａ〜３２Ｄを介することに
より、２次元ＣＣＤセンサ３６Ａ〜３６Ｅにおける受光
量は変化する（図３参照）。本実施の形態においては、
スリット像３８Ａに比較して、スリット像３８Ｅは光量
が減衰していると共に縮小されて結像される。これにつ
いては、引き続いて処理を行う演算装置２２内で倍率補
正及び受光量補正を行う。

【００３６】続いて、フレームメモリ４６に記憶された
電気信号はマルチプレクサ４８に入力され、６．６ｍｓ
毎に演算装置２２に取り込まれ、取り込まれた順に演算
装置２２内で処理が行われる。

【００３７】演算装置２２ではまず、増幅回路５０によ
って所定の増幅率で増幅されてＡ／Ｄ変換器５２に入力
される。続いて、Ａ／Ｄ変換器５２によって所定時間毎
にサンプリングされ、デジタル信号に変換された後にマ
イコン５４に出力される。

【００３８】デジタル信号がマイコン５４に入力される
と、これをＣＰＵ５６が検出することになっており、こ
の検出が行われると倍率補正、受光量補正が行われる。
これは、２次元ＣＣＤセンサ３６Ｃに結像されたスリッ
ト像３８Ｃを基準とし、スリット像３８Ａ及びスリット
像３８Ｂについては倍率、光量をさげるように補正し、
スリット像３８Ｄ及び３８Ｅについては倍率、光量を上
げるように補正を行う。これにより、すべてのスリット
像３８Ａ〜３８Ｅが同一の条件となる。さらに、形状測
定のための演算が行われる。

【００３９】この演算装置２２における演算結果がディ
スプレイ２６に出力されると、被測定物１２の形状測定
が終了する。

【００４０】なお、本発明の実施の形態においてはハー
フミラーを４個設け、被測定物に照射されたスリット光
の反射光を５方向に分光させ、それぞれに受光レンズ及
び２次元ＣＣＤセンサを備えた多重結像カメラ１０につ
いて説明したが、ハーフミラー、受光レンズ及び２次元
ＣＣＤセンサの数量はこれに限るものではない。数量を
変化させることにより、スリット像に基づく電気信号が
演算装置に取り込まれるタイミングは変化する。また、
２次元ＣＣＤセンサ等の数を多くするほど形状測定の性
能はよくなる。

【００４１】さらに、本発明の実施の形態においては被
測定物を抵抗として説明したが、他の形状の物体を測定
することも可能である。

【００４２】また、本実施の形態においては演算装置２
２内での倍率補正及び受光量補正を５個のスリット像３
８Ａ〜３８Ｅのうちの中間であるスリット像３８Ｃに合
わせて行ったが、いずれのスリット像に合わせてもよ
い。

【００４３】さらに、本発明の実施の形態では撮像素子
として２次元ＣＣＤセンサを用いた場合について説明し
たが、２次元ＣＣＤセンサに限定されるものではなく、
１次元ＣＣＤセンサや撮像管を用いたテレビジョンシス
テムによる位置検出方法を用いてセンサ上で２次元の位
置を出力することのできる素子を利用してもよい。

【００４４】なお、本発明の実施の形態ではロッドレン
ズを利用することでスリット状の光を得る例について説
明したが、スリット状の光を得る素子としてシリンドリ
カルレンズ、シリンドリカルミラー等を用いることもで
き、回転多面鏡等のレーザービームをスキャンすること
によりスリット状の光を得ることもできる。

【００４５】また、形状測定結果の出力手段としては液
晶ディスプレイを用いる場合を例にとり説明したが、液
晶ディスプレイに限定されるものではなく、これ以外に
もプリンタ等により紙等の記憶媒体に印刷することによ
って測定結果を出力する方法や、スピーカー等の音声出
力装置によって測定結果を音声出力する方法なども考え
られる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように請求項１乃至請求項
３のいずれか一項に記載の発明は、ハーフミラー、受光
レンズ及び撮像素子をそれぞれ複数個設けることによっ
て、被測定物のスリット像をそれぞれの撮像素子に結像
することができると共に、スリット像に基づく電気信号
を撮像素子毎に出力することができるという優れた効果
を有する。

【００４７】また、請求項４に記載の発明によれば、本
発明に係る多重結像カメラを用いることにより、撮像素
子に結像されたスリット像に基づく電気信号を演算装置
内に取り込むタイミングをずらすことができ、これらを
一定の条件に補正することができるので、被測定物が動
いている場合や被測定物が微小な物体の場合等にでも形
状測定を正確に行うことができるという優れた効果を有
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る多重結像カメラが内
蔵された形状測定装置の外観を示す斜視図である。

【図２】本発明の実施の形態に係る多重結像カメラの詳
細構造を示す斜視図である。

【図３】多重結像カメラ内の撮像素子である複数の２次
元ＣＣＤセンサに結像されたスリット像を示す特性図で
ある。

【図４】本発明の実施の形態に係る多重結像カメラが内
蔵された形状測定装置の概略構成を示すブロック図であ
る。

【図５】本発明の実施の形態に係る形状測定装置内に備
えられている演算装置に入力される信号のタイミングを
示すタイムチャートである。

【符号の説明】

１０ 多重結像カメラ（受光装置） １２ 被測定物 １４ スリット光 １８ 投光装置 ２０ 形状測定装置 ２２ 演算装置 ２４ スイッチ ２６ ディスプレイ ３２ ハーフミラー ３４ 受光レンズ ３６ ２次元ＣＣＤセンサ（撮像素子） ３８ スリット像 ４６ フレームメモリ ４８ マルチプレクサ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １つの被測定物に照射されたスリット光
   の反射光をハーフミラーで分光し、分光されたそれぞれ
   の画像を結像する複数の撮像素子を備えた多重結像カメ
   ラ。
2. 【請求項２】 被測定物に照射されたスリット光の反射
   光を透過、又は反射させる複数のハーフミラーと、 前記ハーフミラーの反射側及び透過側に設けられ、前記
   ハーフミラーからの反射光、又は透過光が入射される複
   数の受光レンズと、 前記受光レンズの焦点位置にそれぞれ配置され、被測定
   物上の輝点の軌跡を結像する複数の撮像素子と、 前記各撮像素子に結像された画像毎に独立して、該画像
   に基づく信号を出力する信号出力手段と、 を有する請求項１記載の多重結像カメラ。
3. 【請求項３】 前記信号出力手段の出力タイミングが各
   撮像素子による画像１フレームの取り込み時間を前記多
   重結像カメラ内に配設された撮像素子の数で割った時間
   毎とすることを特徴とする請求項１記載又は請求項２記
   載の多重結像カメラ。
4. 【請求項４】 １つの被測定物に照射されたスリット光
   の反射光をハーフミラーで分光し、分光されたそれぞれ
   の画像を結像する複数の撮像素子を備えた多重結像カメ
   ラを用いた形状測定方法であって、 前記各撮像素子で撮像する際のそれぞれの光路長の差に
   基づいて、前記撮像素子に結像されたそれぞれの結像画
   像を所定の倍率に補正し、かつ前記ハーフミラーを介す
   ることによる光量差を補正することを特徴とする多重結
   像カメラを用いた形状測定方法。