JPH10126659A - 画像計測用カメラおよび画像計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 計測対象がカメラの撮影方向に対して傾いた
平面上に存在する場合であっても、レンズ開口の絞り込
みを必要最小限にとどめて、照明光量や露光時間を少な
くできて、照明装置の小型化や撮影動作時間の節約に寄
与することができる画像計測用カメラを提供する。 【解決手段】 撮影レンズ３と、内部に撮像素子を有す
るボディ１ａとを有する画像計測用カメラ１が用いられ
る。このカメラ１は、撮影レンズ３を、ボディ１ａに対
してアオリ操作可能に取り付けるためのアオリ機構２を
備える。アオリ機構２は、撮影レンズ３を、その光軸が
画面と交差する位置を画面中心からずらすシフト操作を
行なうシフト機構、および、撮影レンズの光軸が画面と
交差する角度を垂直以外に変えるティルト操作を行なう
ティルト機構のうち、少なくとも一方の機構を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像計測用カメラ
および画像計測装置に係り、特に、画像上の明暗を基に
画像処理を用いた形状あるいは寸法測定を行うことに好
適な画像計測用カメラおよび画像計測装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、画像計測装置におけるカメラ
の撮影レンズの光軸は、図１１のように画面中心に垂直
に交差した状態で固定されている。このため、平面上に
存在する計測対象と相似形の画像を得ようとすると、対
象物の正面で、かつ、撮影レンズの光軸Ｌが計測対象が
存在する平面Ｐに直交するように、カメラを配置する必
要があった。

【０００３】しかし、図７、図８および図９に示す場合
のように、カメラ１と、被写体である測定対象物４、１
４または２４との間の撮影系配置の制約等で、カメラ１
を計測対象４、１４または２４の正面に配置できない場
合がある。この場合には、カメラの撮影方向Ｍ、すなわ
ち、撮影レンズの光軸Ｌは、当然、計測対象面４ａ、１
４ａまたは２４ａに対して傾斜する。このため、計測対
象面において、平面Pに対して前後が生じる。その結
果、傾き量が大きい場合は、各々の撮影距離の違いによ
り、被写界深度に収まらない部分においては、ピンぼけ
になるという問題が生じる。また、手前側と奥側では撮
影倍率も異なってくるので、計測対象物に相似形な画像
にならないという問題も生じる。これは、例えば、画角
の広い広角レンズを用いて高い建物を撮った際に、上の
方がすぼまって写ることに相当する。

【０００４】これに対して、画面内にピントを合わせる
方法としては、従来より、撮影レンズの開口を絞り込ん
で被写界深度を大きく取り、傾いた計測対象面を被写界
深度に納めることが一般に行われている。また、計測対
象物と画像が相似形でなくなることに対しては、画像処
理時に、画像から得られた画像上の座標をデ−タ上で相
似形な画像に変換する等の前処理を行う方法が知られて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記のように、計測対
象を斜めに撮影して画像計測を行なう際、被写界深度を
大きくとって画面内全体でピントを合わせようとする方
法をとる場合、露光のために必要な光量が少なくなるた
め、照明光を強くするか、または、露光時間を長くとる
必要がある。

【０００６】また、画像処理の前処理として画像上の座
標変換を行う方法は高速で処理を行う目的には、この手
順が処理時間として負荷になると伴に、画像デ−タ上で
の分解能がデ−タを圧縮する側で細かく、伸長する側で
粗くなり、分解能が粗い方に依存してしまう問題点があ
る。

【０００７】本発明の第１の目的は、計測対象がカメラ
の撮影方向に対して傾いた平面上に存在する場合であっ
ても、レンズ開口の絞り込みを必要最小限にとどめて、
照明光量や露光時間を少なくできて、照明装置の小型化
や撮影動作時間の節約に寄与することができる画像計測
用カメラおよび画像計測装置を提供することにある。

【０００８】また、本発明の第２の目的は、同様の状態
において、画像上の座標デ−タの変換を不要として、処
理手順の負荷を軽減できて、画像処理の高速化に寄与す
ることができる画像計測用カメラおよび画像計測装置を
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の第１の態様によれば、撮影レンズと、内部
に撮像素子を有するボディとを有する画像計測用カメラ
において、撮影レンズを、ボディに対してアオリ操作可
能に取り付けるためのアオリ機構を備え、上記アオリ機
構は、撮影レンズを、その光軸が画面と交差する位置を
画面中心からずらすシフト操作を行なうシフト機構、お
よび、撮影レンズの光軸が画面と交差する角度を垂直以
外に変えるティルト操作を行なうティルト機構のうち、
少なくとも一方の機構を有することを特徴とする画像計
測用カメラが提供される。

【００１０】また、本発明の第２の態様によれば、撮影
レンズと撮像素子とを有し、被検物の被検査面を撮像す
る撮像手段と、前記撮像手段からの画像信号に基づいて
被検査面内の特定部分の寸法を計測する計測手段とを有
する画像計測装置において、前記撮影レンズは、その光
軸が前記被検査面からずれた位置で、かつ、前記被検査
面に対して垂直に配置され、前記撮像素子は、前記被検
物の前記被検査面における形状と相似の形状に相当する
形状の画像を取得するための配置として、前記光軸に対
して前記被検査面と対称となる側に、当該素子の中心が
ずれて位置し、かつ、その撮像面が前記光軸に対して垂
直となる向きに配置されることを特徴とする画像計測装
置が提供される。

【００１１】また、本発明の第３の態様によれば、撮影
レンズと撮像素子とを有し、被検物の被検査面を撮像す
る撮像手段と、前記撮像手段からの画像信号に基づいて
被検査面内の特定部分の寸法を計測する計測手段とを有
し、前記撮影レンズの光軸が、前記被検査面に対して傾
斜している画像計測装置において、前記撮像素子は、前
記被検査面が前記光軸に対して傾く側と同じ側に、前記
被検査面全体が前記撮像手段の被写界深度内に収まる角
度に傾いて配置されることを特徴とする画像計測装置が
提供される。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。なお、実施形態の説明に先立ち、本発明の
原理について説明する。

【００１３】本発明では、前記の２つの課題を解決する
ために、カメラと計測対象の位置関係に応じて、画面Ｑ
と撮影レンズの位置関係を、撮影レンズの光軸Ｌが画面
Ｑの中心で垂直に交差する基本配置とは異なる、いわゆ
るアオリ操作を行った結像配置とする。アオリ操作自体
は、従来から、建築写真や商品写真等では広く用いられ
てきた方法である。すなわち、このアオリ操作には、撮
影レンズの光軸が画面と交差する位置を画面中心からず
らすシフトと呼ばれる操作と、撮影レンズの光軸が画面
と交差する角度を垂直以外に変えるティルトと呼ばれる
操作の２種類の操作がある。本発明では、これらの２種
類を単独または組み合わせて行う。

【００１４】シフト操作では、図１３に示すように、撮
影レンズの光軸Ｌを画面Ｑに対して垂直に保ちながら平
行移動することで、カメラの向きを変えずに、撮影方向
Ｍだけをその方向へ傾けることができる。この場合、撮
影レンズＲ１〜Ｒｎを挟んで、計測対象の平面Ｐと画面
Ｑの関係は、撮影レンズＲ１〜Ｒｎが無収差の理想レン
ズであれば、幾何学的に相似である。

【００１５】このように、シフト操作を行うことで、平
面Ｐ上に存在する計測対象と平面Ｑ上に結像した画像の
幾何学的相似関係を保つようにレンズと画面を配置した
場合は、画像上の座標デ−タの変換が不要となる。その
結果、画像処理における処理手順が減少し、画像処理の
高速化に寄与することができる。

【００１６】ティルト操作では、被写体がカメラの撮影
方向に対して傾いた平面Ｐ上に存在する場合、図１２に
示すように、画面と像平面Ｑが一致するようにカメラ撮
影方向Ｍに対して撮影レンズの光軸Ｌを傾ける操作を行
うことで、平面Ｐ上の被写体全体に対して、ピントが合
うようにすることができる。ところで、収差を考えない
理想レンズＲ１〜Ｒｎを考えたとき、光軸Ｌに対して傾
いた平面Ｐは、やはり傾きを持った平面Ｑに結像する。
これは、図１０に示すように、光軸Ｌに対して傾いた平
面Ｐと、その像平面Ｑとは、前側主点Ｈと後ろ側主点
Ｈ’を通る主面と同じ高さＨｂまたはＨｂ’で交わる、
いわゆる「シャインプルフの原理」として知られてい
る。ティルト操作は、この原理を応用したものである。

【００１７】計測対象がカメラの撮影方向Ｍに対して傾
いた平面Ｐ上に存在する場合、ティルト操作を応用し
て、画面と像平面Ｑが一致するように、カメラに対して
撮影レンズの光軸Ｌを傾ける操作を行い、計測対象全体
に対して被写界深度Ｄ１−Ｄ２内に納めることで、ピン
トが合うことを可能にする。このことで、レンズ開口の
絞り込みを必要最小限にとどめて、照明光量や露光時間
を少なくでき、照明装置の小型化や撮影動作時間の節約
に寄与することができる。

【００１８】次に、本発明の実施形態について、図面を
参照して説明する。

【００１９】図１に、本発明の画像計測用カメラと、そ
れを用いた画像計測装置の第１の実施形態を示す。本発
明の第１の実施形態の画像計測装置は、画像計測用のカ
メラ１と、計測対象が撮影位置に達したかどうかを検知
する検知センサ５と、検知センサ５の出力を駆動して、
必要な信号を得るためのセンサドライバ７と、センサド
ライバ７の出力に応じて、カメラ１の撮影動作を制御す
るカメラ・コントローラ８と、カメラ１からの画像信号
を入力して、その画像に基づいて所定の計測を行う画像
処理装置９と、計測対象の画像を表示するモニタ１０と
を備える。ここで、カメラ１は、計測対象であるワーク
４が搬送される経路６に沿って配置される。この実施形
態は、経路６上を順次搬送される、ブロック形態のワー
ク４の被検査面４ａの形態を計測する例である。

【００２０】カメラ１は、ボディ１aと、それに装着さ
れる撮影レンズ３と、ボディ１aと撮影レンズ３との間
にあって、撮影レンズをアオリ操作するためのアオリ機
構２とを備える。ボディ１aには、像面Qに結像される画
像を取込むための、ＣＣＤ等の撮像素子（図示せず）が
設けられている。画像処理装置９は、撮像素子により撮
像された画像信号を処理する。

【００２１】アオリ機構２は、図１に示す例では、シフ
ト機構を備えるものが用いられる。シフト機構は、例え
ば、カメラボディ１ａのＱ面に平行な少なくとも１方向
に対して、撮影レンズ３を変位させることができる機構
により構成することができる。より具体的には、例え
ば、図示していないが、案内部材と、その案内部材に沿
って摺動する摺動部材と、摺動部材を案内部材の目的位
置に固定するための固定部材とで構成することができ
る。もちろん、これに限られず、他の機構、例えば、送
り螺旋機構等で構成することもできる。

【００２２】図１の例では、ワーク４が移動する経路６
上にカメラ１を配置し、アオリ機構２により、そのレン
ズ３をボディ１ａに対して、経路６に近づく方向にシフ
トさせている。この例では、レンズ３の光軸Ｌは、経路
６と平行になっている。また、カメラ１は、レンズ３
が、ワーク４の進行方向の被検査面４ａを臨む位置にあ
り、平面Ｐがワーク４の被検査面４ａと平行になる状態
となっている。

【００２３】なお、アオリ機構２として、この他に、図
１の例では備えていない、後述するチルト機構をさらに
備えることができる。

【００２４】検知センサ５は、図１に示す例では、検知
用の光ビームを放射するための、発光ダイオード等の発
光素子５ａと、前記光ビームの対象物からの反射光を受
光する、フォトダイオード等の受光素子５bと、これら
の素子の前方に配置されたレンズ５ｃとを有する。セン
サドライバ７は、いずれも図示していないが、発光素子
５ａを発光させるための回路と、受光素子の受光信号を
取り込むための受光回路とを備える。検知センサ５は、
センサドライバ７の駆動回路により駆動されて、発光素
子５ａから放射された光ビームを、経路６におけるワー
ク４の検出位置に向けて放射する。そして、その位置に
ワーク４が存在する場合に、そのワークからの反射光を
受光素子５ｂにより検出し、センサドライバ７の受光回
路により取り込まれる。これにより、ワーク４が所定位
置に進入したことを検知することができる。この検知信
号は、カメラ・コントローラ８に送られる。

【００２５】カメラ・コントローラ８は、カメラ１の撮
影を制御する。すなわち、上記センサドライバ７から出
力される検知信号をトリガ信号として受けると、カメラ
１において、撮影を行なわせ、画像信号を画像処理装置
９に出力させる。画像処理装置９は、被検査面４ａの画
像を取得すると、被検査面４a内の所定の寸法、例え
ば、被検査面４ａ内に加工されたパターンの寸法を計測
し、加工誤差の大きいものを検出する。

【００２６】このような構成によれば、一定の径路６を
カメラ１に対して相対運動するワ−ク４を、検出センサ
５およびセンサドライバ７により検出し、センサドライ
バ７からのトリガ信号を用いて定位置関係で撮影する。
すなわち、図１に示すように、その進行方向側被検査面
４ａが平面Ｐと一致する位置で撮影が行なわれる。この
場合、平面Pと平面Qとは平行になっている。

【００２７】このようにシフト操作を行なった状態で、
ワーク４の被検査面４ａを撮影することにより、その被
検査面４ａ上に形成されたパターン４ｂの寸法測定を行
う。ここで、図４（ａ）は、本実施形態により、ワーク
４の被検査面４aを撮影した状態を示す。また、図４
（ｂ）は、本実施形態によらない、図７のように配置し
た画像計測装置でワーク４の被検査面４aを撮影した状
態を示す。両者を比較すると明らかなように、本実施形
態の場合には、図４（ａ）に示すように、計測対象と相
似の画像を得ることができる。

【００２８】次に、図２に、本発明の第２の実施形態を
示す。図２に示す例は、長尺なワ−ク１４の長手方向に
直交する断面形状１４ａを求める例である。この実施の
形態では、第１の実施形態と同様のシフト機構を有する
カメラ１と、カメラ・コントローラ８と、長尺物の外周
面をその長手方向と直行する方向に沿って面状の光ビー
ムを照射する面ビーム照明器１５と、画像処理装置９
と、モニタ１０とを備える。

【００２９】ここで、カメラ１は、上記図１に示したも
のと同じである。ただし、この実施の形態では、アオリ
機構２のシフト機構により、長尺物１４の長手方向に平
行な状態で、レンズ３の光軸Ｌを近接させた状態でカメ
ラ１が配置されている。カメラ・コントローラ８は、予
め定めた撮影間隔で撮影を行なうように、カメラ１を制
御する。なお、本実施形態においても、アオリ機構２と
して、シフト機構の他に、ティルト機構をさらに備えて
もよい。

【００３０】このような構成により、画像計測装置９
は、長尺なワ−ク１４の長手方向に直交する断面形状１
４ａを求める場合、光切断法によって画像計測を行な
う。まず、この断面に沿って平行に面ビ−ム照明器１５
から面ビームを照射し、ビ−ムが当たって明るくなって
いる部分をカメラ１に対して相対運動をさせながら撮影
し、画像処理を行うことで測定する。

【００３１】この場合は、アオリ機構２によってレンズ
３をカメラ１に対してシフト操作して、ワ−ク１４の進
行方向からカメラ１を待避させつつ、計測対象とほぼ相
似形となる画像を得ている。ここで、図５（ａ）は、本
発明の第２の実施形態でワーク１４を撮影した状態を示
す。図５（ｂ）は、本実施形態のよらない、図８に示す
画像計測装置によってワーク１４を撮影した状態を示
す。両者を比較すると明らかなように、本実施形態の場
合には、図５（ａ）に示すように、計測対象と相似の画
像を得ることができる。

【００３２】次に、図３に本発明の第３の実施形態を示
す。図３に示す例は、長尺なワーク２４の長手方向に平
行な表面２４ａの外観を求める例である。この実施の形
態は、カメラ１と、カメラ・コントローラ８と、画像処
理装置９と、モニタ１０とを備える。この実施の形態で
は、カメラ１は、アオリ機構２として、ティルト機構を
備える。

【００３３】ティルト機構は、例えば、カメラ１の撮影
方向Ｍに対して、レンズ３の光軸Ｌを傾ける機構により
構成することができる。より具体的には、例えば、図示
していないが、軸部材と、その軸部材を中心にして回動
する回動部材と、回動部材と軸部材とを目的の角度位置
において固定するための固定部材とで構成することがで
きる。もちろん、これに限られず、他の機構で構成する
こともできる。なお、アオリ機構２として、ティルト機
構のほか、上述したシフト機構をさらに備えていてもよ
い。

【００３４】カメラ・コントローラ８は、ワーク２４の
撮影すべき表面２４ａの配置ピッチと、ワーク２４の移
動速度とで決まる撮影間隔で、カメラ１の撮影を制御す
ると共に、画像信号を画像処理装置９に出力する。

【００３５】このような構成により、長尺なワ−ク２４
の長手方向に平行な表面２４ａの外観を、ワ−ク２４を
カメラ１に対して相対運動をさせながらカメラ１で斜め
に撮影する。そして、照明光の散乱状態の違いで判断を
行って表面２４ａの状態を検査する。

【００３６】この場合、斜めに撮影することそのものが
優先されるため、アオリ機構２によって、レンズ３をカ
メラ１に対してティルト操作して、撮影レンズ光軸に対
して測定面が傾斜した配置としてある。このため、カメ
ラ１の画面を光軸Ｌに対して最適な位置に傾けることが
できて、図６（ａ）に示すように、ワーク２４の表面に
おける撮影すべき面２４ａの全面を被写界深度に納める
ことができる。なお、図６（ｂ）は、本実施形態によら
ない、図９に示す画像計測装置によってワーク２４を撮
影した状態を示す。図６（ａ）と図６（ｂ）とを比較す
ると明らかなように、本実施形態によれば、画像全体に
ピントを合わせることができるという効果がある。

【００３７】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、計測対象がカメラの撮影方向に対して傾いた平面上
に存在する場合であっても、レンズ開口の絞り込みを必
要最小限にとどめて、照明光量や露光時間を少なくでき
て、照明装置の小型化や撮影動作時間の節約に寄与する
ことができる。また、画像上の座標デ−タの変換を不要
として、処理手順の負荷を軽減できて、画像処理の高速
化に寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態のカメラおよび撮影
系の構成を示すブロック図。

【図２】本発明の第２の実施の形態のカメラおよび撮影
系の構成を示すブロック図。

【図３】本発明の第３の実施の形態のカメラおよび撮影
系の構成を示すブロック図。

【図４】（ａ）は、本発明の第１の実施の形態のカメラ
および撮影系により撮影した計測対象の画像の一例を示
す説明図、および、（ｂ）は、従来のカメラおよび撮影
系により撮影した計測対象の画像の一例を示す説明図。

【図５】（ａ）は、本発明の第２の実施の形態のカメラ
および撮影系により撮影した計測対象の画像の一例を示
す説明図、および、（ｂ）は、従来のカメラおよび撮影
系により撮影した計測対象の画像の一例を示す説明図。

【図６】（ａ）は、本発明の第３の実施の形態のカメラ
および撮影系により撮影した計測対象の画像の一例を示
す説明図、および、（ｂ）は、従来のカメラおよび撮影
系により撮影した計測対象の画像の一例を示す説明図。

【図７】従来の画像計測装置の撮影系の構成を示すブロ
ック図。

【図８】従来の画像計測装置の撮影系の構成を示すブロ
ック図。

【図９】従来の画像計測装置の撮影系の構成を示すブロ
ック図。

【図１０】シャインプルフの原理をしめす概念図。

【図１１】カメラの基本的な配置における結像を示す概
念図。

【図１２】カメラの撮影レンズにティルト操作を行った
ときの結像を示す概念図。

【図１３】カメラの撮影レンズにシフト操作を行ったと
きの結像を示す概念図。

【符号の説明】

１…カメラ、１ａ…ボディ、２…アオリ機構、３…レン
ズ、４…ワーク、４ａ…被検査面、５…検知センサ、６
…経路、７…センサドライバ、８…カメラ・コントロー
ラ、１４…ワーク、１５…面ビーム照明器、２４…ワー
ク、Ｌ…撮影レンズの光軸、Ｍ…撮影方向を示す軸、Ｈ
…撮影レンズ前側主点、Ｈ’…撮影レンズ後側主点、Ｐ
…被写界平面、Ｑ…像平面。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 撮影レンズと、内部に撮像素子を有する
   ボディとを有する画像計測用カメラにおいて、 撮影レンズを、ボディに対してアオリ操作可能に取り付
   けるためのアオリ機構を備え、 上記アオリ機構は、撮影レンズを、その光軸が画面と交
   差する位置を画面中心からずらすシフト操作を行なうシ
   フト機構、および、撮影レンズの光軸が画面と交差する
   角度を垂直以外に変えるティルト操作を行なうティルト
   機構のうち、少なくとも一方の機構を有することを特徴
   とする画像計測用カメラ。
2. 【請求項２】 撮影レンズと撮像素子とを有し、被検物
   の被検査面を撮像する撮像手段と、前記撮像手段からの
   画像信号に基づいて被検査面内の特定部分の寸法を計測
   する計測手段とを有する画像計測装置において、 前記撮影レンズは、その光軸が前記被検査面からずれた
   位置で、かつ、前記被検査面に対して垂直に配置され、 前記撮像素子は、前記被検物の前記被検査面における形
   状と相似の形状に相当する形状の画像を取得するための
   配置として、前記光軸に対して前記被検査面と対称とな
   る側に、当該素子の中心がずれて位置し、かつ、その撮
   像面が前記光軸に対して垂直となる向きに配置されるこ
   とを特徴とする画像計測装置。
3. 【請求項３】 撮影レンズと撮像素子とを有し、被検物
   の被検査面を撮像する撮像手段と、前記撮像手段からの
   画像信号に基づいて被検査面内の特定部分の寸法を計測
   する計測手段とを有し、前記撮影レンズの光軸が、前記
   被検査面に対して傾斜している画像計測装置において、 前記撮像素子は、前記被検査面が前記光軸に対して傾く
   側と同じ側に、前記被検査面全体が前記撮像手段の被写
   界深度内に収まる角度に傾いて配置されることを特徴と
   する画像計測装置。