JPH11281332A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 細長い物体を高い分解能で撮影する。 【解決手段】 ２次元撮像素子２およびレンズ１を備え
るテレビカメラ３；上１／３領域５ａを、レンズ１を通
して素子２の左１／３領域に投影する第１組のミラ−４
ａ１，４ａ２；下１／３領域５ｃをレンズ１を通して素
子２の右１／３領域に投影する第２組のミラ−４ｃ１，
４ｃ２；および、中１／３領域をレンズ１を通して素子
２の中１／３領域に投影する付加レンズ４ｂ（４ｂ１，
４ｂ２）；を備える撮像装置。ミラ−はすべて、カメラ
光軸Ｚｏに対してαの角度をなし、光軸平行線を中心に
角度β分回転した姿勢であり、縦分布の領域５ａ，５ｃ
を横分布投影２ａ，２ｃとする。付加レンズは、中１／
３領域５ｂの投影倍率およびピントを、ミラ−光学系の
ものと同一にする。αによって、凹凸物体の、正面から
は死角となる箇所の撮影が可。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、前方物体像を、多
数の光電変換単位素子が２次元分布する撮像素子に投影
して画像を表わす電気信号に変換する撮像装置に関し、
特に、縦横比が大きい細長い領域の物体像の像全体を撮
像素子の光電変換面内に投影するに好適な撮像装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】一般に２次元撮像素子の光電変換面の縦
横比は１に近い。すなわち縦長と横長の差は小さい。し
かし、縦横比が１より大きく掛け離れた物体又は画像を
撮影しなければならないことも多い。例えば、物体の形
状認識のために、物体にスリット状にレ−ザ光を投射
し、物体上のスリット光像（光切断線）を撮影して、該
光像の形状に基づいて撮影物体の形状および又は寸法を
算出する形状測定では、撮影物体全体上の光切断線の全
長を１画面内に収めると、形状を把握する演算が容易で
ある。ところが、要求される形状測定精度が高いと、投
影倍率を小さくすることができず、光切断線の全体を一
画面内に収めることができない。撮像素子の光電変換面
の縦横比に対して、撮影物体の縦横比が大きくずれてい
る場合には、例えば、撮影物体が縦長であると、撮影画
面上で横方向には広い空間があくにもかかわらず、撮影
物体の縦長全体を一画面内に収めるために投影倍率を小
さくしなければならない。これは、形状測定精度を下げ
てしまうことになる。

【０００３】これを図１を参照して具体的に説明する
と、光切断法による従来の形状測定においては、水平方
向Ｘの分離能に比べ、垂直方向Ｙの分解能が劣っている
ことが問題であった。これは、水平方向Ｘについては、
テレビカメラ３が水平に走査されるため、光切断線８の
水平方向の重心を求めることで、その分解能を、テレビ
カメラ３内の撮像素子である２次元ＣＣＤの水平方向画
素数できまる値の２〜３倍に向上させることができるの
に対し、垂直方向Ｙは、２次元ＣＣＤの垂直画素数で分
解能で決まるためであった。

【０００４】ところが、死角の関係から、光切断線８が
テレビカメラ３の撮像素子の水平方向に移動する範囲
は、撮像素子の全水平画素の１／２〜１／３程度に設計
するのが一般的である。１／２程度又は１／３に設計し
た場合、全水平画素の半分領域又は１／３領域に有意な
像があるが、他の領域は無駄である。しかし撮像素子の
垂直方向には、例えば図１に示すように対象物５が縦長
の場合、撮像素子の全垂直画素の範囲内に光切断線８の
縦方向全長を収めようとすると、撮像素子への投影倍率
を小さくしなければならない。すると、撮像素子の１画
素ピッチ当りの光切断線８の長さが大きくなり、光切断
線８の撮影分解能が下がる。すなわち形状測定精度が下
がる。

【０００５】このような問題を改善するために従来は、
１．撮像素子を複数使用する方法（特開平５−１６４５
２１号公報：光学式形状測定装置）、および、２．ズー
ムレンズで高分解能化したカメラに首振り等の移動機構
又は回転機構を付ける方法（特開平６−７６１０６号公
報：文字画像入力装置）、が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記１．の方
法では、複数の撮像素子と複数の画像処理装置、或い
は、複数の撮像素子と１つの画像処理装置および切替器
が必要である。加えて、データ処理量が倍以上となり、
画像処理および形状認識のための演算が複雑になる。一
方上記２．の方法では、移動機構又は回転機構が必要で
あり、コストが高い。更に移動又は回転機構の動作時間
が必要で計測に時間がかかるばかりでなく、移動又は回
転の位置誤差が加わる。また、データ処理量が増え、画
像処理および形状認識のための演算が複雑になる。

【０００７】本発明は、細長い物体を高い分解能で撮影
することを目的とする。換言すると、撮像素子の光電変
換面の縦横比に対して、撮影物体の縦横比が大きくずれ
ている場合にも、格別に投影倍率を小さくすることな
く、撮影物体の広い領域を一画面内に撮影することを目
的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】（１）本発明の撮像装置
は、Ｘo，Ｙo平面に平行な平面に多数の光電変換単位素
子が２次元に分布した撮像素子(2)、および、前記Ｘo，
Ｙo平面に直交する光軸Ｚoを有し該撮像素子(2)に画像
を投影するレンズ(1)を備えるテレビカメラ(3)；前記光
軸Ｚoと平行で、光軸Ｚoから所定の距離だけＸＹ方向に
離れた位置(X2,Y2)にあるＺa軸に対して、それ自身の上
にとったＰa１軸が所定の角度αをなし、かつ、Ｐa１軸
を中心に所定の角度βだけ回転した、平面状のミラーで
ある第１組の第１ミラー(4a1)；および、第１組の第１
ミラー(4a1)の反射光を受け、該反射光を前記レンズ(1)
に向けて反射するように、光軸Ｚoと平行で、光軸Ｚoか
ら所定の距離だけＸＹ方向に離れた位置(-X1,0)にある
Ｚb軸に対して、それ自身の上にとったＰa２軸が所定の
角度αをなし、かつ、Ｐa２軸を中心に所定の角度βだ
け回転した、平面状のミラーである第１組の第２ミラ−
(4a2)；を備える。

【０００９】なお、理解を容易にするためにカッコ内に
は、図面に示し後述する実施例の対応要素の符号を、参
考までに付記した。

【００１０】これによれば、撮影対象物(5)の例えば縦
上半分を、第１組の第１および第２ミラ−(4a1,4a2)で
撮像素子(2)の横左半分に投影し、横右半分にはレンズ
(1)のみの結像により撮影対象物(5)の縦下半分を投影し
て、撮影対象物(5)の縦全体像を上下２分割で、横方向
に並べて一度に結像することができる。これにより、投
影倍率を１／２に下げることなく対象物(5)の全体を撮
影しうる。すなわち、テレビカメラ(3)の撮像素子(2)の
縦方向画素数により制限された、縦方向の分解能が約２
倍に拡大できる。撮像素子(2)を２個に増やす必要がな
く、画像処理装置の付加或いは撮像切替器の付加も必要
がない。またテレビカメラを移動又は回転させる機構も
必要がないので、装置コストを大幅に上げてしまうこと
がない。又、データ処理量も格別に増大しないので、画
像デ−タ処理時間は格別に長くならない。

【００１１】

【発明の実施の形態】（２）前記光軸Ｚoと平行で、前
記Ｚa軸との間に光軸Ｚoを置くように光軸Ｚoから所定
の距離だけＸＹ方向に離れた位置(-X2,-Y2)にあるＺc軸
に対して、それ自身の上にとったＰc１軸が所定の角度
αをなし、かつ、Ｐc１軸を中心に所定の角度βだけ回
転した、平面状のミラーである第２組の第１ミラー(4c
1)；および、第２組の第１ミラー(4c1)の反射光を受
け、該反射光を前記レンズ(1)に向けて反射するよう
に、光軸Ｚoに平行で光軸Ｚoから所定の距離だけＸ，Ｙ
方向に離れた位置(X1,0)にあるＺd軸に対して、それ自
身の上にとったＰc２軸が所定の角度αをなし、かつ、
Ｐc２軸を中心に所定の角度βだけ回転した、平面状の
ミラーである第２組の第２ミラー(4c2)；を更に備え
る。

【００１２】これによれば、撮影対象物(5)の例えば縦
上半分を、第１組の第１および第２ミラ−(4a1,4a2)で
撮像素子(2)の横左半分に投影し、縦下半分は、第２組
の第１および第２ミラ−(4c1,4c2)で撮像素子(2)の横右
半分に投影して、撮影対象物(5)の縦全体像を上下２分
割で、横方向に並べて一度に結像することができる。ま
たは、撮影対象物(5)の例えば縦上１／３領域を、第１
組の第１および第２ミラ−(4a1,4a2)で撮像素子(2)の横
左１／３領域に投影し、縦下１／３領域は、第２組の第
１および第２ミラ−(4c1,4c2)で撮像素子(2)の横右１／
３領域に投影し、そして横中央の１／３領域にはレンズ
(1)のみの結像により撮影対象物(5)の縦中央の１／３領
域を投影して、撮影対象物(5)の縦全体像を上下３割
で、横方向に並べて一度に結像することができる。

【００１３】これにより、投影倍率を１／２あるいは１
／３に下げることなく対象物(5)の全体を撮影しうる。
すなわち、テレビカメラ(3)の撮像素子(2)の縦方向画素
数により制限された、縦方向の分解能が約２倍又は３倍
に拡大できる。撮像素子(2)を２個あるいは３個に増や
す必要がなく、画像処理装置の付加或いは撮像切替器の
付加も必要がない。またテレビカメラを移動又は回転さ
せる機構も必要がないので、装置コストを大幅に上げて
しまうことがない。又、データ処理量も格別に増大しな
いので、画像デ−タ処理時間は格別に長くならない。

【００１４】（３）第２組の第１および第２ミラ−(4c
1,4c2)は、前記光軸Ｚoに関して、第１組の第１および
第２ミラ−(4a1,4a2)と対称な位置にある。これによれ
ば、第１組と第２組のミラ−による撮像素子(2)への投
影像が同一の投影倍率となり、画像処理が容易である。

【００１５】（４）前記光軸Ｚo上にあって、該光軸Ｚo
が突当る撮影対象物(5)の、前記第１組の第１および第
２ミラ−(4a1,4a2)と前記レンズ(1)による第１撮影領域
とは少くとも部分的に異なる領域を、前記レンズ(1)を
通して前記撮像素子(2)に、第１撮影領域の倍率および
ピントと実質上同一に投影する付加レンズ(4b)、を更に
備える。これによれば、ミラ−を介する撮影画像と、付
加レンズ(4b)を介する撮影画像とが、撮像素子(2)上で
同一倍率およびピントとなり、画像処理が容易である。

【００１６】本発明の他の目的および特徴は、図面を参
照した以下の説明より明らかになろう。

【００１７】

【実施例】図１に本発明の一実施例の外観を示す。この
実施例は、スリット光源６からレ−ザスリット光７を、
形状測定対象の物体すなわち撮影対象物５に投射し、対
象物５上のスリット光７の像すなわち光切断線８の縦方
向全長を、アタッチメント９およびテレビカメラ３でな
る撮像装置にて、一度に撮影するものである。

【００１８】図２に、アタッチメント９およびテレビカ
メラ３の内部要素を示す。撮像対象物５の上側の約１／
３の領域５aを撮像するように、テレビカメラ３の光軸
Ｚo軸と平行で、Ｚo軸から所定の距離だけＸＹ方向に離
れた位置（Ｘ２，Ｙ２）にあるＺa軸上に、第１組の第
１ミラ−４ａ１が配置されている。この第１ミラ−４ａ
１の中心軸Ｐａ１がＺa軸とαの角度をなす。第１ミラ
−４ａ１は、その中心軸Ｐａ１を中心に角度βだけ回転
した姿勢に設定されている。

【００１９】第１組の第１ミラ−４a１からの反射光を
受け、その光をテレビカメラ３のレンズ１に向けて反射
するように、Ｚo軸と平行で、Ｚo軸から所定の距離だけ
ＸＹ方向に離れた位置（−Ｘ１，０）にあるＺb軸上
に、第１組の第２ミラ−４ａ２が配置されている。この
第２ミラ−４ａ２の中心軸Ｐa２がＺb軸と角度αをな
す。第２ミラ−４ａ２は、中心軸Ｐa２を中心に角度β
だけ回転した姿勢に設定されている。

【００２０】したがって第１組の第１ミラ−４ａ１と第
２ミラ−４ａ２とは平行であり、レンズ１の中心と第２
ミラ−４ａ２の中心とを結ぶ光路を、平行移動して第１
ミラ−４ａ１の中心を通る位置に置いたと仮定すると、
この仮定線の前方の領域５ａが、撮像素子２の領域２ａ
に投影される。

【００２１】第１組の第１および第２ミラ−と同様な第
２組の第１ミラ−４ｃ１および第２ミラ−４ｃ２が、第
１組のものを、光軸Ｚｏを中心にちょうど１８０°回転
させた位置および姿勢で配置されている。

【００２２】すなわち、撮像対象物５の下側の約１／３
の領域５cを撮像するように、光軸Ｚoと平行で、光軸Ｚ
oから所定の距離だけＸＹ方向に離れた位置（−Ｘ２，
−Ｙ２）にあるＺｃ軸上に第２組の第１ミラ−４ｃ１が
配置され、その中心軸Ｐc１がＺｃ軸と角度αをなす。
そして、第１ミラ−４ｃ１は、中心軸Ｐc１を中心に角
度βだけ回転した姿勢である。

【００２３】第２組の第１ミラー４c１からの反射光を
受けその光をレンズ１に向けて反射するように、Ｚo軸
から所定の距離だけＸ，Ｙ方向に離れた位置（Ｘ１，
０）にあるＺd軸上に第２組の第２ミラ−４ｃ２が配置
され、その中心軸Ｐc２がＺｄ軸に対して角度αをな
す。そして、第２ミラ−４ｃ２は、中心軸Ｐc２を中心
に角度βだけ回転した姿勢である。

【００２４】したがって第２組の第１ミラ−４ｃ１と第
２ミラ−４ｃ２とは平行であり、レンズ１の中心と第２
ミラ−４ｃ２の中心とを結ぶ光路を、平行移動して第１
ミラ−４ｃ１の中心を通る位置に置いたと仮定すると、
この仮定線の前方の領域５ｂが、撮像素子２の領域２ｃ
に投影される。

【００２５】上述のように、第１組のミラー４a１，ミ
ラ−４a２に対して第２組のミラー４c１，ミラー４c２
が、前者をカメラ３の光軸Ｚｏを中心に１８０°回転さ
せた位置および姿勢であるので、すなわち、第１組のミ
ラー４a１，ミラ−４a２と第２組のミラー４c１，ミラ
ー４c２が、光軸Ｚｏに関して対称に位置するので、両
組の光学系の経路長は同一であり、撮影倍率が同一であ
る。

【００２６】テレビカメラ３の光軸Ｚｏ上には、対象物
５の中央部分の１／３の領域である領域５bからの光を
集光しカメラ３のレンズ１に与えるレンズ４ｂが配置さ
れている。このレンズ４ｂは、領域５ｂの画像を、第１
組のミラー４a１，ミラ−４a２および第２組のミラー４
c１，ミラー４c２の光学系の経路長と同一の経路長さを
見かけ上作り出して、第１組および第２組のミラ−光学
系の倍率とピントと同一とするものである。レンズ４ｂ
の構成を図３に示す。

【００２７】図３は、図２に示す光学系を、Ｚａ，Ｚｂ
およびＺｃ軸を含むＹ，Ｚ平面で分断して見た断面図で
ある。この実施例では、レンズ４ｂは、図３に示すよう
に、凸レンズ４ｂ２と凹レンズ４ｂ１の２つのレンズを
組み合わせたレンズである。領域５aを観測する第１組
の第１ミラー４a１および第２ミラ−４a２（ならびに領
域５cを観測する第２組の第１ミラー４c１および第２ミ
ラー４c２）の光学系の経路長は、直接に領域５bを観測
する経路長とｄなる距離の違いがある。このため、領域
５a（領域５ｃ）にピントが合うようにレンズ４bを調節
すると、領域５bよりも距離ｄだけ遠くにある領域５bｉ
にピントが合うことになり、対象物５が置かれている領
域５bではピントが合わず、倍率も領域５a（領域５ｃ）
と異なる。そこで、図３のように、凸レンズ４ｂ２によ
り集光する光を、凹レンズ４ｂ１により拡散させること
で、丁度領域５bにおいてピントが合うようにした。し
たがって、第１組のミラ−光学系（４ａ１，４ａ２），
第２組のミラ−光学系（４ｃ１，４ｃ２）および付加レ
ンズ４ｂの光学系によって、それぞれ撮像素子２に投影
される領域５ａ，５ｃおよび５ｂの、撮像素子２上の倍
率およびピントが同一である。

【００２８】上述の第１組のミラ−光学系（４ａ１，４
ａ２），第２組のミラ−光学系（４ｃ１，４ｃ２）およ
び付加レンズ４ｂは、図１に示すアタッチメント９内に
あり、アタッチメント９は、テレビカメラ３に着脱可で
ある。アタッチメント９を図１に示すようにテレビカメ
ラ３に装着しているときには、テレビカメラ３とアタッ
チンメント９内のミラ−およびレンズとの組合せで、図
２および図３に示す上述の３光路の撮影光学系が形成さ
れている。

【００２９】これにより、撮像素子２の一画面分の画像
信号を、従来の一画面分の画像処理と同様に処理（光切
断線８の撮影像の切出し）をして、横並び３領域の画像
を縦並び３領域の画像（領域５ａ〜５ｃの図２に示す配
列と同じ配列）に変換して、変換した画像に対して形状
計測のための演算処理を施せばよい。領域５ａ，５ｃと
５ｂとの間に投影倍率差がある場合には、一方（例えば
５ｂ）の画像に対して他方の倍率に合せるための、画像
デ−タの変倍処理が必要となるが、本実施例ではこのよ
うな処理を必要としない。

【００３０】以上のように、１台のテレビカメラ３によ
り対象物５を縦に３分割した画像を、テレビカメラ３の
撮像素子２上に、横方向に一度に結像することができ
る。これにより、テレビカメラ３の撮像素子２の垂直方
向画素数により制限された、縦方向の分解能が約３倍に
拡大できる。

【００３１】一方、例えば、アタッチメント９を付けた
テレビカメラ３をその光軸Ｚｏを中心に９０°廻わした
姿勢として、上に凸の物体（５）の形状を計測するため
の撮影を行なうことができる。この場合、物体（５）の
凸部を上側および両側からの３方向同時に撮像できる。
角度αを小さく設定することにより、死角の少ない撮像
装置を低コストに提供できる。

【００３２】なお、図４に示すように、第１組のミラ−
光学系（４ａ１，４ａ２）および第２組のミラ−光学系
（４ｃ１，４ｃ２）でそれぞれ撮像素子２の左半分と右
半分に像を投影するようにすることにより、縦方向を２
分割にした撮影ができる。この場合、レンズ４ｂが省略
となるので、アタッチメント９の内部構造が簡易にな
る。この態様では、１台のテレビカメラ３により対象物
５を縦に２分割した画像を、テレビカメラ３の撮像素子
２上に、横方向に一度に結像することができる。これに
より、テレビカメラ３の撮像素子２の垂直方向画素数に
より制限された、縦方向の分解能が約２倍に拡大でき
る。

【００３３】また、第１組のミラ−光学系（４ａ１，４
ａ２）および第２組のミラ−光学系（４ｃ１，４ｃ２）
の一方、例えば第２組のミラ−光学系、を省略して第１
組のミラ−光学系（４ａ１，４ａ２）およびレンズ４ｂ
でそれぞれ撮像素子２の左半分と右半分に像を投影する
ようにすることにより、縦方向を２分割にした撮影がで
きる。この態様でも、１台のテレビカメラ３により対象
物５を縦に２分割した画像を、テレビカメラ３の撮像素
子２上に、横方向に一度に結像することができる。これ
により、テレビカメラ３の撮像素子２の垂直方向画素数
により制限された、縦方向の分解能が約２倍に拡大でき
る。

【００３４】いずれにしても、撮像素子，画像処理装置
或いは撮像切替器，移動又は回転機構を用いなくても比
較的に細長い物体の全長を比較的に高い分解能で撮影す
ることが可能であり、大幅に装置コストを低下させるこ
とが出来る。又、データ処理量も少なく、画像処理時間
は短い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例の外観を示す斜視図であ
る。

【図２】 図１に示すテレビカメラ３とアタッチメント
９との組合せによって形成された光学系の概要を示す拡
大斜視図である。

【図３】 図１に示すテレビカメラ３とアタッチメント
９との組合せによって形成された光学系の中央断面を示
す拡大断面図である。

【図４】 本発明のもう１つの実施例の、テレビカメラ
３とアタッチメント９内ミラ−の組合せよって形成され
た光学系の概要を示す拡大斜視図である。

【符号の説明】

１：レンズ ２：撮像素子 ２ａ，２ｂ，２ｃ：画像投影領域 ３：テレビカメラ ４ａ１：第１組の第１ミラ− ４ａ２：第２組の第
２ミラ− ４ｂ：レンズ ４ｂ１：凸レンズ ４ｂ２：凹レンズ ５：撮影対象物 ５ａ，５ｂ，５ｃ：撮影領域 ６：スリット光源 ７：レ−ザスリット光 ８：光切断線 ９：アタッチメント Ｚｏ：テレビカメラ
３の光軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秋 田 良 平 豊川市千両町下西の谷２ 県営千両住宅４ 棟 406号

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｘo，Ｙo平面に平行な平面に多数の光電変
   換単位素子が２次元に分布した撮像素子、および、前記
   Ｘo，Ｙo平面に直交する光軸Ｚoを有し該撮像素子に画
   像を投影するレンズを備えるテレビカメラ；前記光軸Ｚ
   oと平行で、光軸Ｚoから所定の距離だけＸＹ方向に離れ
   た位置にあるＺa軸に対して、それ自身の上にとったＰa
   １軸が所定の角度αをなし、かつ、Ｐa１軸を中心に所
   定の角度βだけ回転した、平面状のミラーである第１組
   の第１ミラー；および、 第１組の第１ミラーの反射光を受け、該反射光を前記レ
   ンズに向けて反射するように、光軸Ｚoと平行で、光軸
   Ｚoから所定の距離だけＸＹ方向に離れた位置にあるＺb
   軸に対して、それ自身の上にとったＰa２軸が所定の角
   度αをなし、かつ、Ｐa２軸を中心に所定の角度βだけ
   回転した、平面状のミラーである第１組の第２ミラ−；
   を備える撮像装置。
2. 【請求項２】前記光軸Ｚoと平行で、前記Ｚa軸との間に
   光軸Ｚoを置くように光軸Ｚoから所定の距離だけＸＹ方
   向に離れた位置にあるＺc軸に対して、それ自身の上に
   とったＰc１軸が所定の角度αをなし、かつ、Ｐc１軸を
   中心に所定の角度βだけ回転した、平面状のミラーであ
   る第２組の第１ミラー；および、 第２組の第１ミラーの反射光を受け、該反射光を前記レ
   ンズに向けて反射するように、光軸Ｚoに平行で光軸Ｚo
   から所定の距離だけＸ，Ｙ方向に離れた位置にあるＺd
   軸に対して、それ自身の上にとったＰc２軸が所定の角
   度αをなし、かつ、Ｐc２軸を中心に所定の角度βだけ
   回転した、平面状のミラーである第２組の第２ミラー(4
   c2)；を更に備える請求項１記載の撮像装置。
3. 【請求項３】第２組の第１および第２ミラ−は、前記光
   軸Ｚoに関して、第１組の第１および第２ミラ−と対称
   な位置にある、請求項２記載の撮像装置。
4. 【請求項４】前記光軸Ｚo上にあって、該光軸Ｚoが突当
   る撮影対象物の、前記第１組の第１および第２ミラ−と
   前記レンズによる第１撮影領域とは少くとも部分的に異
   なる領域を、前記レンズを通して前記撮像素子に、第１
   撮影領域の倍率およびピントと実質上同一に投影する付
   加レンズ、を更に備える請求項１又は請求項３記載の撮
   像装置。